航空发动机中介机匣裂纹采用激光补焊工艺技术研究

摘要： 本课题采用试验方法研究中介机匣焊缝激光原位修复工艺。通过激光熔凝试验、激光熔敷涂层试验、U型槽激光焊补试验、BT20激光对接焊试验、激光焊道的超声消除应力试验、BT20激光焊缝的拉伸试验分析研究，得到了裂纹激光补焊修复成套工艺方法及激光补焊技术特征。

Abstract： This subject researches laser in situ repair technology of intermediate casing welding through tests， and obtains the crack laser welding repair and technical features of laser welding process through laser melting test， laser cladding and coating test； u-shaped groove laser welding test， BT20 laser butt welding test， ultrasound laser weld stress relief test and BT20 laser weld tensile test.

关键词： 中介机匣；激光焊；裂纹；试验

Key words： intermediate casing；laser welding；crack；test

中图分类号：V23 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）19-0049-02

0 引言

中介机匣是连接发动机高、低压压气机转子之间的重要承力部件。它由中间喇叭形鼓筒和其外面四个环形壳体与12个支撑板等组成。环形壳体与支板之间是采用氩弧焊焊接支撑板与空心结构。为表述方便，称靠喇叭鼓筒的第一个环为内环，其余三个环为外环。

本项目研究用机匣经过500小时服役后，在内环靠近喇叭形鼓筒处焊缝发生三处裂纹，一处为穿透性裂纹，两处为表面龟裂；第一级和第二级外环上发生五处焊缝与基材接头裂纹。中介机匣材料为BT20钛合金，制造时焊缝采用氩弧焊焊接并辅以真空热处理。原氩弧焊焊缝修复需解决以下关键问题：①修复裂纹时应最小限度的损伤原焊缝，因原焊缝是经过消除应力和除氢处理处在稳定态。要实现此目的，一是裂纹打除要合适，二是焊补时热影响要小，不能引起原焊缝的二次应力，造成结构变形。②裂纹走向不规则，机匣结构复杂，焊接可操作性差。③焊缝内侧空心、壁薄，焊接时易熔透击穿，氩气保护难以实施。④裂纹焊补后，难以再进行真空热处理，要求焊补时避免氧、氢、氮的污染和焊缝应力。

通过该项目研究，可以采用激光原位修复技术解决中介机匣裂纹故障。

1 BT20合金激光补焊工艺试验及结果

1.1 激光熔凝试验 将BT20试验片进行表面清理、除油、干燥，采用JJ-D-400型Nd：YAG固体脉冲激光加工机进行激光熔凝试验。试验结果表明激光熔凝区无裂纹，无气孔等缺陷，其组织的相组成主要是á针状马氏体相+很少量的残余■相。熔凝区与未熔凝基体之界面无任何缺陷，热影响区很小且组织未发生明显变化。

1.2 激光熔敷涂层试验 采用JJ-D-400型Nd：YAG固体脉冲激光加工机进行激光熔敷BT20钛合金试验片。可以看出无论激光熔敷层内还是与BT20基体结合界面处均无任何冶金缺陷，界面相容性好。

1.3 U型槽激光补焊试验 为模拟工件裂纹打坡口激光焊补修复过程，采用JJ-D-400型Nd：YAG固体脉冲激光加工机在平板上开U型槽进行了激光熔焊堆敷试验。在很高倍条件下，可以看到补焊区为细针状马氏体相。填补材料为TA11与BT20片。

1.4 激光对接焊试验 考虑到在修复中介机匣裂纹时，有些区域可采用激光直接熔焊修复，为此进行了BT20片的激光对接焊试验。试验采用JQM-1GXY-400D型Nd：YAG固体脉冲激光加工机。可以看出，脉冲激光焊缝结合好，上下边充满，无任何冶金缺陷。

1.5 激光焊道的超声消除应力试验 试验采用72×13×1.5mm的BT20片，激光焊道宽度约2.0mm。由于试验片薄，激光焊后试验片发生变形，向上拱起。在超声设备工作电流为1A时，超声处理5分钟左右，试验片的拱凸消除，试验片与角板尺贴合。这表明激光焊缝中的残余应力用超声波振动可有效减少以至消除。

1.6 激光焊缝的拉伸试验 厚2.2mm的BT20板材两块，经激光拼焊连接后，机械加工制成厚2.0mm的拉伸试样。通过与未激光处理的BT20试样拉伸结果对比，激光焊缝的抗拉强度和BT20基材相当。

1.7 补焊工艺试验小结 激光熔凝试验、激光熔敷试验和U型槽激光补焊试验结果表明：BT20钛合金与激光作用在优化工艺条件下可实现无裂纹、无气孔、无夹渣的冶金组织。激光对焊试验及拉伸试验结果表明：材料组织强度并未因激光作用而明显降低，基本实现了等强度焊接。超声去应力试验表明：激光补焊后，可用超声振动法减小乃至消除补焊区应力。

2 中介机匣内环上焊缝裂纹激光修复

中介机匣内环上的一处裂纹是在氩弧焊焊缝上穿透性的裂纹，另外两处为龟裂，修复关键在于穿透性裂纹的修复。

2.1 工艺流程 来件故障检查-表面清洁-清除裂纹-激光补焊-粗整加工-着色检查-打压试验-合格出厂。

2.2 工艺过程控制

2.2.1 激光修复前清理 BT20合金同其它钛合金相类似，对焊接前待焊面及焊接区域的清洁要求十分严格，若不清理干净，将在焊接接头中产生气孔缺陷。焊接前用清洗液和丙酮严格清洗，对补焊所用试片和补焊区进行加热除气处理，温度100-150℃，时间10分钟左右。

2.2.2 保护气体 BT20钛合金激光焊接时，为防止空气中氮、氧、氢的污染，要求对焊接熔池、焊缝正面高温区和焊缝背面进行惰性气体保护。保护效果理想，焊缝为银白色。合适的氩气流量大于10L/min。

2.2.3 焊补热输入的选择 从钛合金的焊补工艺考虑，钛合金焊补时焊接速度不宜过快，否则不利于气体的排除。从提高焊接力学性能上看，在保证焊透的前提下应选用较小的焊接热输入，以期获得较细的晶粒，但焊缝热输入太小，很难焊透，咬边现象严重。选用的焊补工艺参数：单脉冲能量40-50J，频率4Hz，脉宽5ms，焦距150mm，扫描速度1.2mm/s-1.6mm/s。

2.2.4 焊后处理 尽管激光焊接应力比氩弧焊应力小得多，但激光焊接接头仍然存在一定的残余应力，经试验可用超声冲击焊缝消除应力。超声设备工作电流为1A，时间5-8分钟。

3 中介机匣外环上焊缝裂纹激光修复

机匣外环焊缝裂纹属表面龟裂。修复时通过机械打磨将裂纹清除干净，然后用清洗液将焊补区清洗干净。焊补时无需对背面进行保护，对焊补熔池和焊缝正面高温区进行惰性气体保护。激光幅照时选择较小的热输入，防止焊补区被击穿。焊后进行超声去除应力。

4 检验

着色检查和打压试验符合要求。对机匣激光焊接前后的变形量进行了测量，补焊前后机匣变形量符合要求，测量结果见表（测量结果为圆周、端面的最大跳动量）。

5 结束语

①裂纹成因。BT20中介机匣经长期服役后，裂纹的产生均在原焊缝上 或焊缝与基体的交界处，这表明焊缝是应力集中区，或是强度弱区。提高焊缝质量（小气孔），减少或消除焊缝残余应力，减少焊缝与基体交界处的陡度，实现好的圆滑过渡，都是提高焊缝抗裂性能应注意的主要问题。②裂纹激光补焊修复成套工艺方法。裂纹显示跟踪清除、氩气全方位保护下可见光引导激光显微控制焊、选区打磨精整修形、补焊区高能超声振动应力调整、无损探伤和压力检测一整套工艺方法可实现对中介机匣的原位无损修复。③激光补焊技术特征。中介机匣焊缝上裂纹的激光填料焊可实现等强度焊接，修复不引起原焊缝组织的变化和二次裂纹的产生，激光补焊内外环焊缝上多条裂纹均未引起工件的明显变形。

参考文献：

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