一种拼焊结构进气机匣的集成方法与流程

本发明属于航空发动机用进气机匣制造技术领域，具体涉及一种拼焊结构进气机匣的集成方法。

背景技术：

进气机匣焊接组件(后简称进气机匣)是军用航空发动机三大承力构件之一，其位于风扇前端，设计有可变弯度叶片以改变气流方向，提高风扇喘振裕度；内部设计有轴承，承受低压转子传递的轴向和部分径向载荷；外部设计有引气装置对静子部分进行防冰，避免结冰脱落后打伤转子叶片，进气机匣的制造符合性和可靠性将直接影响发动机的使用性能和安全。

现有结构的进气机匣主要由环形薄壁机匣(后简称外环)、固定支板组合件(后简称支板)、内环前段(后简称内环)以及集气罩、防冰座等组成，材料为tc4合金。进气机匣通过钨极氩弧焊(tig)、真空电子束焊(ebw)或有电阻缝焊(rsw)工艺连接为大型薄壁焊接组件，最大直径达1015mm，最小焊接壁厚仅为1.0mm。

现有结构进气机匣存在制造符合性差、残余应力水平高、焊接变形突出、裂纹故障率高等诸多问题，已严重危及航空发动机的使用寿命和飞行安全。具体表现在支板位置度、直线度超差，直接影响气体流通性能和可调叶片转动调节功能；进气机匣流道面焊接变形大且不均匀，最大收缩量可达3mm；内、外环与支板焊缝裂纹故障频发，因裂纹引起的大修报废率居高。

技术实现要素：

针对现有结构进气机匣存在的制造符合性、应力变形及裂纹问题，本发明提供了一种拼焊结构进气机匣的集成方法，其以带双支板头对开结构扩散焊支板、精密焊接工装、高能束流焊接工艺为核心，将内环单件取消直接集成于支板上，从全局角度设计焊前加工余量、焊接和热处理工装、焊前装配方式及控制方法、焊接工艺及顺序、焊后热处理/热定型及其组合加工等关键工序，并通过部件和试车考核验证工艺措施，旨在从根本上解决进气机匣组件制造符合性和应力变形及裂纹问题。

一种拼焊结构进气机匣的集成方法，包括以下步骤：

步骤1，支板结构设计

通过将现有的单支板头的支板结构设计为双支板头的支板结构，利用对开结构固相扩散焊技术实现带双支板头的空心结构支板的制造，其工艺稳定性好、焊接质量高，通过精准压缩量控制和数控加工技术可实现复杂型面支板的一体化成形制造，也为拼焊结构进气机匣集成制造提供了可靠的技术途径；

步骤2，余量设计

支板余量设计：根据现有内环结构，其内腔带有两条环形跑道，且位于最大壁厚处，因此，靠近内侧支板头沿径向预留余量；沿轴向上端面与下端面预留余量；靠近外侧支板头沿径向缘板处不设置余量，伸出缘板部分沿径向预留余量，装配用精密孔留有加工底孔；

外环余量设计：外环沿轴向上端面与下端面分别预留余量，其它位置无余量；

步骤3，支板和外环加工

支板加工：(1)通过线切割和精磨对毛料进行加工处理；(2)通过铣削加工加工出内腔和防冰孔；(3)通过真空扩散焊炉对带双支板头支板进行扩散焊接；(4)对焊后带双支板头支板进行焊接质量检验；(5)通过数控机床对双支板头支板外型面进行加工，并对双支板头支板进行修整、抛光处理；(6)然后对加工完成的带双支板头支板进行尺寸检验；

外环加工：按照设计图纸对毛坯进行车铣加工，加工后按照设计图纸尺寸进行检验；

步骤4，集件预装配，先将各支板进行预装配；装配过程在焊接工装上进行，外环外侧采用螺栓压紧机构压紧，外环内侧采用内限位、楔块内涨紧；支板采用整环压紧机构，支板内侧支板头采用外限位，轴向压盖压紧，并采用分瓣式内涨紧机构限定内环；在装配工装时，首先将外环定位孔对准焊接工装上定位销并轻轻地落到焊接工装上，用橡皮锤沿周向对称敲击外环端面使之均匀装配到焊接工装上，用塞尺检查外环与焊接工装之间的贴合间隙；若贴合间隙不满足要求，通过重复使用橡皮锤沿周向对称敲击外环端面使之均匀装配到焊接工装上，至间隙满足要求为止；然后锁紧螺栓压紧外环；其次将全部支板从外侧插入外环型孔直至内侧支板头拼成整环，检查装配间隙和错边量并调整支板装配顺序；第三将压盖沿轴向装配并压紧内侧支板头，同时涨紧内侧支板头，再将内侧楔块涨紧外环，整环压紧支板；最后将支板两侧随形块顶紧完成进气机匣装配；预装配完毕后，记录每个支板装配顺序、工装加压机构的预紧力及装配过程中的要点说明；

步骤5，酸洗，将支板、外环、防冰座/游标座、进油/回油管进行酸洗；酸洗后通过压缩空气吹干处理；

步骤6，装配定位焊

在焊接工装上进行装配、定位焊，在装配时，按步骤4记录状态进行装配和检查，并满足装配要求；在定位焊时，支板内侧支板头沿轴向均布定位焊两点不添丝，支板与外环环形焊缝定位焊六点；检查定位焊点质量，表面不平整处钳修平整、圆滑过渡；

步骤7，焊接工艺及顺序

采用较高的加速电压，电子束聚焦在焊缝1/3厚度处，小幅值的电子束扫描和较高的焊接速度，实现上下等宽，宽度较小的焊缝成形，采用这种焊接方式，可以有效降低热输入和焊接变形；

采用真空电子束焊接支板缘板与外环→拼焊支板内侧支板头的总体焊接顺序；通过采用对称施焊的焊接顺序对支板缘板与外环及支板内侧支板头进行焊接；一方面可以避免连续焊接的两条焊缝相聚很近造成的热积累，另一方面，处于对称位置的两条焊缝有利于整个焊接结构内应力的相互抵消，从而达到减小焊接变形的效果；

步骤8，支板热校正，即通过支板热校正对支板的位置度、直线度偏差进行加热校正，采用钨极氩弧焊方法加热支板内侧且不形成焊缝；若支板的位置度超差，只加热厚支板且加热偏差一侧，使得在冷却后变形得到校正；若支板的直线度超差，加热对应超差支板凹下一侧，使得在冷却后变形得到校正；根据位置度、直线度的超差程度确定加热支板数量和单个支板加热长度，不允许加热转接圆角区及以转接圆角的圆心为圆心，半径为15mm范围以内的区域；待全部校正后进行三坐标检测，如位置度和直线度仍不满足要求，重复本步骤至位置度和直线度满足要求；

步骤9，防冰座/游标座、进油管/回油管钨极氩弧焊，在外环外侧固定位置焊接防冰座/游标座，用于连通防冰热空气和安装检测仪器；在两个厚支板空腔中焊接进油管和回油管，用于作为内环装配的轴承的润滑油通道；上述位置采用钨极氩弧焊焊接角焊缝，为确定焊接位置准确和防止焊接变形，应在焊接工装和保护装置的限制下完成，同时焊接工艺参数按常规接头形式、壁厚选取；

步骤10，焊接检验，通过焊后目视检查、着色检查及x光检查，对焊缝表面质量及内部缺陷进行检验，若表面或内部存在缺陷，通过钳修或有补焊的方法排除缺陷，同一处补焊次数不超过2次；

步骤11，尺寸检测，通过量具、样板以及三坐标测量仪对进气机匣的支板的位置度、直线度以及工艺保证尺寸进行检测，若存在尺寸超差，重复步骤8进行修正，并重复步骤10和本步骤进行检验，至支板的位置度、直线度以及工艺保证尺寸合格为止；

步骤12，真空热处理、真空热定型

通过真空热处理设备对焊接后的进气机匣进行消除残余应力处理，避免附加变形的产生；但对于焊接过程控制未达变形预期的进气机匣，通过增加真空热定型工艺，即利用材料不同线膨胀系数的差异实现芯部胎具加热涨形、高保温定型的作用，外环流道面与定型胎具之间设置有间隙，进气机匣热定型工艺温度选用750±10℃，保温2～2.5h；真空热定型工装需经热循环后再进行实际组件的定型，长时间使用的热定型工装需定期校验胎具尺寸，避免精度不准确，损坏零件；

步骤13，焊接检验，通过焊后目视检查、着色检查，对焊缝表面质量进行检验，本步骤不再对内部质量进行检验；

步骤14，尺寸检测，通过量具、样板以及三坐标测量仪对进气机匣的支板位置度、直线度以及工艺保证尺寸进行检测，保证热处理/热定型后的尺寸及精度；

步骤15，组合加工，通过铣车复合加工机床对进气机匣整体组合加工；

步骤16，终检，通过量具、测具、样膏、样板、三坐标测量仪的检测手段，对进气机匣设计图纸要求的全部尺寸检测；未发现超差情况，满足设计图纸要求。

步骤4所述的外环与焊接工装之间的贴合间隙不大于0.05mm；检查装配间隙和错边量并调整支板装配顺序，直至装配间隙不大于0.05mm，错边量不大于0.10mm。

所述支板、外环、防冰座、游标座、进油管、回油管酸洗到焊接完成的时间不能超过120h。

本发明的有益效果为：

本发明以带双支板头对开结构扩散焊支板、精密焊接工装、高能束流焊接工艺为核心，将内环单件取消直接集成于支板上，通过焊接余量设计、精密工装设计、装配间隙控制、多工艺集成与协调、焊后热处理以及检验检测等方面进行全面改进，突破焊接机匣工艺集成与变形控制技术，将现有工艺的进气机匣焊缝缩减1000mm以上，将进气机匣流道面最大变形量由现有的2.0mm控制到0.7mm以内，进出口流道变形控制在0.5mm以内，支板位置度由现有的0.6mm控制到0.4mm以内，支板直线度由现有的1.0mm控制到0.5mm以内，最大残余应力由现有的最大600mpa控制到不大于270mpa，大幅提升进气机匣加工效率，单台制造成本可降低10万以上，从根本上解决了进气机匣制造符合性、应力变形及裂纹问题。

附图说明

图1为本发明带双支板头的对开结构支板第一视角示意图；

图2为本发明带双支板头的对开结构支板第二视角示意图；

图3为本发明带双支板头的对开结构支板的内侧拼焊示意图；

图4为发动机拼焊结构进气机匣示意图；

图5为发动机拼焊结构进气机匣加工工序图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种拼焊结构进气机匣的集成方法，加工某军用高推重比发动机进气机匣，如图4所示，材料tc4合金，最大外径1015mm，高度219mm，包括以下步骤：

步骤1，支板结构设计

通过将现有的单支板头的支板结构设计为双支板头的支板结构，利用对开结构固相扩散焊技术实现带双支板头的空心结构支板的制造，其工艺稳定性好、焊接质量高，通过精准压缩量控制和数控加工技术可实现复杂型面支板的一体化成形制造，也为拼焊结构进气机匣集成制造提供了可靠的技术途径，如图1和图2所示；

步骤2，余量设计

支板余量设计：根据现有内环结构，其内腔带有两条环形跑道，且位于最大壁厚处，最大壁厚处壁厚为17mm，因此，靠近内侧支板头沿径向预留1mm余量，总厚度18mm；沿轴向上端面与下端面预留2mm余量；靠近外侧支板头沿径向缘板处不设置余量，伸出缘边部分沿径向预留2mm余量，装配用精密孔留有加工底孔；

外环余量设计：外环沿轴向上端面与下端面分别预留2.0mm余量，其它位置无余量；

步骤3，支板和外环加工

支板加工：(1)通过线切割和精磨毛料进行加工处理；(2)通过铣削加工加工出内腔和防冰孔；(3)通过真空扩散焊炉对带双支板头支板进行扩散焊接；(4)对焊后带双支板头支板进行焊接质量检验；(5)通过数控机床对双支板头支板外型面进行加工，并对双支板头支板进行修整、抛光处理；(6)然后对加工完成的带双支板头支板进行尺寸检验；

外环加工：按照设计图纸对毛坯进行车铣加工，加工后按照设计图纸尺寸进行检验；

步骤4，预装配，由于钛合金酸洗到焊接完成的时间不能超过120h，因此先将各支板进行预装配；装配过程在焊接工装上进行，外环外侧采用螺栓压紧机构压紧，外环内侧采用内限位、楔块内涨紧；支板采用整环压紧机构，支板内侧支板头采用外限位，轴向压盖压紧，并采用分瓣式内涨紧机构限定内环；在装配工装时，首先将外环定位孔对准焊接工装上定位销并轻轻地落到焊接工装上，用橡皮锤沿周向对称敲击外环端面使之均匀装配到焊接工装上，用塞尺检查外环与焊接工装之间的贴合间隙，且贴合间隙为0.05mm；若贴合间隙不满足要求，通过重复使用橡皮锤沿周向对称敲击外环端面使之均匀装配到焊接工装上，至间隙满足要求为止；然后锁紧螺栓压紧外环；其次将全部支板从外侧插入外环型孔直至内侧支板头拼成整环，检查装配间隙和错边量并调整支板装配顺序，直至装配间隙为0.05mm，错边量为0.10mm；第三将压盖沿轴向装配并压紧内侧支板头，同时涨紧内侧支板头，再将内侧楔块涨紧外环，整环压紧支板；最后将支板两侧随形块顶紧完成进气机匣装配；预装配完毕后，记录每个支板装配顺序、工装加压机构的预紧力及装配过程中的要点说明；

步骤5，酸洗，将支板、外环、防冰座/游标座、进油管/回油管进行酸洗；酸洗后通过压缩空气吹干处理，所述支板、外环、防冰座、游标座、进油管及回油管酸洗到焊接完成的时间不能超过120h；

步骤6，装配定位焊

在焊接工装上进行装配、定位焊，在装配时，按步骤4记录状态进行装配和检查，并满足装配要求；在定位焊时，支板内侧支板头沿轴向均布定位焊两点不添丝，支板与外环环形焊缝定位焊六点；检查定位焊点质量，表面不平整处钳修平整、圆滑过渡；

步骤7，焊接工艺及顺序

采用较高的加速电压，电子束聚焦在焊缝1/3厚度处，即下焦点，小幅值的电子束扫描和较高的焊接速度，实现上下等宽，宽度较小的焊缝成形，采用这种焊接方式，可以有效降低热输入和焊接变形；

采用真空电子束焊接支板缘板与外环→拼焊支板内侧支板头的总体焊接顺序；拼焊支板内侧支板头，如图3所示，采用1→10→15→5→12→3→7→18→13→4→16→8→11→2→17→6→19→9→14的焊接顺序进行焊接，对支板内侧支板头进行焊接，拼焊工艺参数如表1.2所示；同样采用对称施焊的焊接顺序对支板缘板与外环焊接，焊接工艺参数如表1.1所示，一方面可以避免连续焊接的两条焊缝相聚很近造成的热积累，另一方面，处于对称位置的两条焊缝有利于整个焊接结构内应力的相互抵消，从而达到减小焊接变形的效果；

步骤8，支板热校正，即通过支板热校正对支板的位置度、直线度偏差进行加热校正，采用钨极氩弧焊方法加热支板内侧且不形成焊缝；若支板的位置度超差，只加热厚支板且加热偏差一侧，使得位置度在冷却后得到校正；若支板的直线度超差，加热对应超差支板凹下一侧，使得直线度在冷却后得到校正；根据位置度、直线度的超差程度确定加热支板数量和单个支板加热长度，不允许加热转接圆角区及以转接圆角的圆心为圆心，半径为15mm范围以内的区域；待全部校正后进行三坐标检测，如位置度和直线度仍不满足要求，重复本步骤至位置度和直线度满足要求；

步骤9，防冰座/游标座、进油管/回油管钨极氩弧焊，在外环外侧固定位置焊接防冰座/游标座，用于连通防冰热空气和安装检测仪器；在其中两个厚支板空腔中焊接进油管和回油管，用于作为内环装配的轴承的润滑油通道；上述位置采用钨极氩弧焊焊接角焊缝，为确定焊接位置准确和放置焊接变形，应在焊接工装和保护装置的限制下完成，同时焊接工艺参数按常规接头形式、壁厚选取；

步骤10，焊接检验，通过焊后目视检查、着色检查及x光检查，对焊缝表面质量及内部缺陷进行检验，若表面或内部存在缺陷，通过钳修或有补焊的方法排除缺陷，同一处补焊次数不超过2次；

步骤11，尺寸检测，通过量具、样板以及三坐标测量仪对进气机匣的支板的位置度、直线度以及工艺保证尺寸进行检测，若存在尺寸超差，重复步骤8进行修正，并重复步骤10和本步骤进行检验，至支板的位置度、直线度以及工艺保证尺寸合格为止；

步骤12，真空热处理、真空热定型

通过真空热处理设备对焊接后的进气机匣进行消除残余应力处理，避免附加变形的产生；但对于焊接过程控制未达变形预期的进气机匣，通过增加真空热定型工艺，即利用材料不同线膨胀系数的差异实现芯部胎具加热涨形、高保温定型的作用，外环流道面与定型胎具之间设置有3.0mm间隙，进气机匣热定型工艺温度选用750℃，保温2h；真空热定型工装需经热循环后再进行实际组件的定型，长时间使用的热定型工装需定期校验胎具尺寸，避免精度不准确，损坏零件；

步骤13，焊接检验，通过焊后目视检查、着色检查，对焊缝表面质量进行检验，本步骤不再对内部质量进行检验；

步骤14，尺寸检测，通过量具、样板以及三坐标测量仪对进气机匣的支板位置度、直线度以及工艺保证尺寸进行检测，保证热处理/热定型后的尺寸及精度；

步骤15，组合加工，通过铣车复合加工机床对进气机匣整体组合加工；

步骤16，终检，通过量具、测具、样膏、样板、三坐标测量仪的检测手段，对进气机匣设计图纸要求的全部尺寸检测；未发现超差情况，满足设计图纸要求；如图5所示。

表1.1支板缘板与外环焊接工艺参数

表1.2支板内侧支板头拼焊工艺参数