蜂窩密封結構真空釬焊與修理技術

中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司 （沈陽 110043） 孔慶吉 杜 靜 鄭國良

1.概述

蜂窩密封結構（簡稱蜂窩結構）是現代航空發動機、燃氣輪機、汽輪機及航天飛機上轉子件與靜子件之間密封采用的先進結構。其制造的關鍵是蜂窩與殼體的連接，目前最為有效的連接方法是真空釬焊。蜂窩結構件真空釬焊加工主要的技術難點是：釬焊面積大，對釬料預置的均勻性有較高要求；組件裝配定位必須牢固可靠，保證釬焊工藝間隙，且不得損傷蜂窩；蜂窩條帶較薄，釬焊加工須防止蜂窩產生溶蝕；蜂窩芯格釬焊質量檢測難度大；零件返修焊時蜂窩芯格內釬料容易過量。另外，隨著發動機修復工程的不斷啟動和發展，大量的易損蜂窩結構件需要進行修理。

蜂窩結構件的釬焊修理不僅存在制造中的技術難點問題，而且還存在蜂窩去除、零件焊接變形控制、保證零件組織性能等問題。為此，針對上述技術難點問題，開展了大量的研究工作，摸索出了一整套蜂窩結構件釬焊制造和修理中的工藝技術，并在實際應用過程中對其不斷進行完善和優化，使其得到廣泛應用。

2.蜂窩結構件的組成及其用料

蜂窩結構件由蜂窩夾芯和殼體組成。蜂窩夾芯一般是由厚度為0.05mm或0.08mm的GH536高溫合金條帶制成像蜂窩格子一樣的零件，其芯格形狀為六邊形，尺寸有0.8mm、1.2mm、1.6mm、3.2mm和6.4mm不等；殼體材料一般為不銹鋼和高溫合金的鍛、鑄、鈑金件。蜂窩結構件有環形、扇形段及平板結構。典型環形蜂窩結構如圖1所示。

圖1 典型環形蜂窩結構

3.蜂窩結構件真空釬焊工藝流程

蜂窩結構件真空釬焊的工藝流程：集件→酸洗（鍍鎳）→清洗→釬料預置→裝配定位焊→涂料→烘干→真空釬焊→檢測→補焊（返修焊）→熱處理（如設計要求）→交付。

上述工藝流程中的酸洗（鍍鎳）、清洗、涂料和熱處理（如設計要求）等工序的操作按一般釬焊和熱處理要求完成即可。下面僅就蜂窩結構件真空釬焊流程中關鍵工序的工藝措施進行描述。

（1）釬料預置 釬焊用料牌號：蜂窩結構釬焊用料主要根據零件的材料特性和工作要求進行選擇，對于材料為不銹鋼和高溫合金的蜂窩結構，釬焊一般使用鎳基釬料。常用鎳基釬料如表1所示。

表1 蜂窩結構釬焊常用釬料

釬料預置方法：蜂窩結構釬焊不僅蜂窩基面與底板需要釬焊，而且蜂窩芯格壁連接處也要進行釬焊連接。釬料使用形式和預置方法是保證釬焊質量的關鍵。

通常蜂窩結構件焊前預置釬料的方法有三種：第一種是把鎳基粉末狀釬料與粘結劑混合制成0.5～0.8mm厚度的粘帶，再把粘帶釬料裁剪成合適的寬度貼在蜂窩基面上，并采用手工或者機械方法將粘帶釬料全部壓入蜂窩芯格內。第二是把蜂窩先定位到殼體上，之后再放在一個專用的釬料預置設備中往蜂窩芯格內篩釬料粉，然后再往蜂窩芯格內噴射粘結劑，等粘結劑稍干后，取下組件；第三種是使用一定厚度的鎳基箔帶釬料，按蜂窩待焊面的尺寸裁剪釬料，然后將釬料用儲能點焊法固定在蜂窩基面上。

實踐應用結果表明：第一種對蜂窩芯格預置粘帶釬料的方法最佳。采用這種方法預置釬料，能使整個釬焊面內釬料均勻一致，無蜂窩芯格壁溶蝕現象，從而能保證形成優良的釬縫，并且質量穩定。第二種方法控制釬料的用量比較困難，不但釬焊質量差，而且容易造成蜂窩芯格壁產生溶蝕，操作也很復雜。第三種方法對定位焊造成不利影響，主要是定位焊不牢固，釬焊時會出現開焊問題。

（2）裝配定位焊 蜂窩與殼體之間裝配定位焊采用的設備是儲能焊機，其容量為800～1200J。定位焊時，通過調整儲能焊機電壓，獲得合適的輸出能量。根據組件結構及材料特性一般選擇180～350V。

裝配定位焊時與蜂窩接觸的上電極采用柔性的特殊電極，電極與蜂窩接觸面積控制在60～150 mm2，下電極需與殼體表面接觸良好，定位焊間距一般為10～20mm。蜂窩結構的裝配定位如圖2所示。

圖2 蜂窩結構裝配定位

（3）真空釬焊 蜂窩結構組件釬焊時，將其放置在真空爐內的釬焊夾具（或托盤）上，入爐進行焊接。真空釬焊參數包括：釬焊溫度、保溫時間、升溫速率、冷卻速率和真空壓強，不同釬料使用的釬焊溫度和真空壓強如表2所示。升溫速率、保溫時間、冷卻速率則根據裝爐量和基體材料特性確定。釬焊接頭剖切金相圖片如圖3所示。

表2 真空釬焊主要參數及接頭強度

圖3 蜂窩與殼體釬焊接頭剖切金相圖片

（4）檢測 蜂窩結構件釬焊質量檢測的內容包括未焊上、溶蝕、過量釬料等缺陷。其釬焊質量的檢測方法主要有目視檢查、毛細檢查。

目視檢查是借助5～10倍放大鏡觀察蜂窩芯格內部，如芯格根部有釬焊圓角，表明芯格釬焊合格，否則不合格。此種方法適用于各種結構的蜂窩結構件釬焊質量檢測。

毛細檢查是將零件全部浸在有機溶劑異丙醇中，待蜂窩芯格內注滿液體且液面無氣泡產生時（3～5min）將零件取出，觀察蜂窩表面液膜情況，液膜消失處表明芯格與殼體未焊上，液膜保持良好處表明芯格與殼體已焊上。這種方法適用于扇形段蜂窩結構件及平板蜂窩結構件的釬焊質量檢測。

（5）補焊 蜂窩結構件上蜂窩芯格與殼體未焊上的區域允許進行補焊。但補焊難度較大，主要是預置釬料的用量很難準確控制，釬焊后蜂窩芯格內容易存在過量釬料，蜂窩條帶也容易產生溶蝕，小芯格（芯格尺寸0.8mm）蜂窩結構補焊更容易出現這些問題。

目前，蜂窩結構件補焊方法如下：

一是，先將合適厚度的粘帶釬料（與原釬焊用料相同）置于未焊上芯格的表面，然后用滾輪將釬料壓入蜂窩芯格內，再用金屬棒將粘帶釬料頂入蜂窩芯格底部，之后清理掉蜂窩表面剩余釬料，最后向蜂窩芯格內噴射粘結劑固定釬料。預置釬料后按原工藝進行釬焊和檢測。此方法用于芯格尺寸為1.6mm以上的蜂窩結構補焊時效果較好，而用于小芯格蜂窩件的補焊時不僅操作繁瑣，而且極易造成蜂窩芯格內存在過量釬料。

二是，先向未焊上蜂窩芯格內撒適量粉末釬料（與原釬焊用料相同），然后向芯格內噴射粘結劑固定釬料，最后按原工藝進行釬焊和檢測。該方法僅用于不能采用粘帶釬料進行補焊的小芯格蜂窩結構件，操作雖然簡單，但卻需靠經驗把控釬料量。

4.蜂窩結構件釬焊修理技術

蜂窩結構件釬焊修理的方法是將損壞的蜂窩整體去除，然后將新蜂窩釬焊到殼體上。修理中存在的問題是：去除蜂窩時其根部不容易完全去除或損傷殼體；重新釬焊蜂窩時，殼體處于無余量狀態，極易因爐中熱循環變形而報廢；釬焊修理后殼體材料的組織和性能應保持良好。只有對以上問題采取有效的技術措施，才能保證蜂窩結構的成功修理。

（1）去除蜂窩 蜂窩去除應先用車床進行粗加工，然后用磨床進行精加工，加工后殼體待焊面的尺寸須符合設計圖樣要求。需注意的事項是，加工前須精確找正基準，加工時控制進給量。

（2）釬焊及熱處理變形控制 所修理蜂窩結構件殼體的全部尺寸均已達到設計尺寸，真空釬焊修理必須嚴格控制殼體軸向和徑向變形，尤其要控制殼體裝配部位的變形，否則殼體裝配尺寸和幾何公差將得不到保證，修理后的蜂窩結構件不能滿足設計圖要求。

控制變形措施如下：

首先，夾具控制變形：是在真空釬焊和熱處理時使用夾具夾緊或脹緊其上的零件。夾具結構和裝配尺寸根據零件的結構尺寸設計制造，同時由于夾具要在中高溫環境中使用，因此對用于熱變形控制的夾具還有一系列的特殊要求。①夾具材料應有良好的高溫強度、熱疲勞強度、抗氧化性和抗腐蝕性，同時導熱性要好、熱容量要小，并與零件材料有相同或相近的熱膨脹系數。②夾具在高溫下不應與零件材料發生反應，也不為釬料所潤濕，并且放氣量要小。③夾具應具有足夠的剛度，且結構應盡量簡單。④夾具結構中不得使用螺栓和螺釘。

其次，釬焊熱循環控制變形：是在真空釬焊過程中對爐內零件進行緩慢升溫和冷卻，減少零件的溫度梯度，從而防止零件變形。一般情況下，升溫速率控制在3～5℃/min，冷卻時采取隨爐冷卻方式。此種方法可以與夾具控制變形方法結合使用。

（3）釬焊修理對殼體組織和性能的保證 當釬焊熱循環次數對基體材料的組織和性能可能產生不利影響時，需要通過試驗確定不同次數釬焊修理熱循環后基體材料的組織和性能變化情況。根據試驗結果，確定修理的可行性或允許釬焊循環的次數。

5.結語

（1）所述鎳基釬料適用于不銹鋼、高溫合金蜂窩結構件的真空釬焊。

（2）粘帶狀釬料為蜂窩結構件釬焊用料的最佳使用狀態，可控制蜂窩溶蝕并獲得穩定的釬焊質量。

（3）采用儲能點焊方法定位蜂窩，可保證工藝需要的釬焊間隙和牢固性。

（4）按確定的工藝和檢測方法，可釬焊出符合設計圖樣和技術文件要求的蜂窩結構件。

反之，合理解決蜂窩去除、焊接變形控制及保證釬焊后殼體組織和性能問題，是實現蜂窩結構件成功修理的關鍵。