新型航空发动机前后冷气导管CO2激光焊研究

HEATS

航空燃气涡轮发动机具有较高的推重比，其燃烧室温度也较高。由火焰筒中产生的高温气流喷出后进入导向叶片内，安装于导向叶片内的前后冷气导管的作用是进行冷却，调节叶片腔内的温度场。冷气导管内气流有二条流动路径，一是沿导管轴向流出，二是通过管壁上的小孔流向叶片的内腔。显然，冷气导管承受张力和温度应力。

冷气导管材料采用镍基变形高温合金Incol 625,它是一薄壁零件，厚度仅0.2mm，产品要求焊缝对接，不允许搭接，不加填料，焊缝外观均匀，无裂纹，焊后必须满足与导向叶片内腔的型腔配合，因而要求变形小。

对该零件，厂方曾列为攻关课题，采用多种焊接方法进行试验，均不能达到技术要求，最后决定厂、校联合，采用激光焊接进行难题攻关。

1试验方案设计

1.1工件的制备

由于工件太薄，在不加填料的情况下对工件的制备提出了更高的要求：1)零件成型尺寸要精确；2)成型后进行电火花线切割时，应保证电极丝沿与冷气导管待切面的法线一致的方向切入。

1.2型芯的制作

在数控铣床上加工紫铜型芯，前、后冷气导管型芯各一组。

1.3焊前清洗

(1)酸洗：将氢氟酸130g、硫酸铁300g加入到60～70℃的1L水中，焊件在溶液中浸泡15～20min；
(2)中和：将8～10g的NaOH和30～50g的Na 2 CO 3 加入到60℃的1L水中，浸泡焊件1～2min；
(3)超声波清除：零件冲洗后再用超声波清洗1h；
(4)用脱脂棉球蘸丙酮，清理待焊部位；
(5)装配时不得用手触摸待焊部位。

1.4工装及装配要求

(1)焊缝两边的错边不大于0.08mm；(2)在整个焊缝上，焊前装配间隙不大于0.05mm；(3)在与焊缝纵向垂直的方向上施以夹紧力；(4)在型芯与待焊处施以压紧力；(5)待焊处与型芯密切贴合，间隙不大于0.05mm；(6)待焊处两边的压块距焊缝中心距离在3～5mm间；(7)焊缝尺寸留有约10mm长的余量。

1.5焊接过程中对型芯的随时检查、修磨及清理

每焊一个冷气导管，都要小心地用木板敲击型芯，取出后仔细检查与焊缝对应处有无烧蚀现象，如有烧损，及时磨平。在装入新的导管前用丙酮仔细清理。

1.6聚焦镜焦距的选取

应采用较长焦距的聚焦镜，目的在于提高焦深。焦深L的表达式为

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式中L—焦深，K—光束质量系数，f—聚焦镜焦距，D—聚焦前的激光束直径。由(1)式知，焦深与聚焦镜焦距的平方成正比，焦深增加会使焊接质量对焊缝错边的敏感性降低，这对薄板的焊接尤为重要。本研究采用旋转抛物面反射镜聚焦，焦距f=200mm。

1.7离焦量

本研究采用正离焦，离焦量 Δf=+5 mm。

1.8激光功率

实验在德国进口的RS850型5 kW CO 2 激光器上进行，输出功率可达5.5 kW。该激光器具有恒流控制、恒功率控制以及程序自动控制三种运行方式。

该零件最终选用的激光功率为1050W，采用恒功率工作方式。正常情况下功率波动不大于3%。

1.9其它工艺参数的选定

根据数控工作台的综合性能，焊接速度选定为2.2m/min，采用He气保护，流量为5L/min。

2试验结果及分析

结果表明，焊缝外观平整，宽度均匀，变形极小，经萤光检查无裂纹，产品合格率达到90%以上。焊缝抗拉强度可达到母材的95%以上。

焊缝金相分析表明，焊缝热影响区极小，几乎为零，熔合区晶粒长大不明显，这是由于激光焊接加热集中、热输入少、焊接速度快造成的。焊缝熔合区存在着显著的结晶不平衡，结晶面上形成了深入液相的针状组织，在针状组织的横向出现有短小的二次结晶。在奥氏体晶粒和晶界处存有弥散、粒状、黑色的碳化析出物，这些碳化物对位错移动有阻碍作用，因而可提高材料的强度。

焊缝中心的组织为等轴的奥氏体树枝晶，这是由于焊缝中心的导热相对较慢，温度梯度相对熔合区来说较小，结晶速度快，液相中存在较大的过冷度，可在距界面较远的液相中形核，形成等轴树枝晶。

断口分析表明，断口属微孔聚合性断裂，从断口形貌可看到大量的韧窝，图中短而弯曲的白色部分是先期断裂的撕裂棱，撕裂棱突出部分较小，韧窝浅而不连续；图中较大的白色弯曲部分是后期断裂部分，由于发生了较大的塑性变形，所以撕裂棱较大且连续。其原因在于韧窝底部分布着一些塑性较小的碳化物析出相，焊缝受力时，塑性变形首先发生在包含碳化物的晶粒的边界，当塑性变形达到一定程度后，在一些部位发生位错的塞积，导致微裂纹的形成，继续加载时微裂纹扩展并连接起来，直到最终断裂。

3使用情况

经反复研究与试验，已成功地焊接了六台份的前、后冷气导管。其中二台份已进行了地面试车，前后冷气导管使用情况良好。

前后冷气导管CO 2 激光焊接的成功在国内航空发动机类似零件的焊接中尚属首次，它加速了航空发动机的研制进度。

4结论

(1)对前后冷气导管激光焊工装的设计要求合理，选定的工艺参数适当。
(2)用连续CO 2 激光焊接厚度为0.2mm、材质为 Inconel 625的前后冷气导管，焊缝抗拉强度可达母材的95%以上。
(3)经航空发动机地面试车表明，CO 2 激光焊用于前后冷气导管焊接是成功的。