高壓壓氣機整流器真空釬焊工藝研究

羅運芬

Abstract： In this paper， the vacuum brazing process between the high pressure compressor rectifier outer ring （precipitation hardening stainless steel） and blade （martensitic stainless steel）， as well as the filler metal mode， reasonable process parameters and deformation problems in the brazing process are studied， and the improvement scheme is put forward. The actual products are tested. According to the product inspection requirements， the products are tested after welding. The results of hardness test and deformation test show that the improved process method can meet the product quality and greatly improve the production efficiency.

關鍵詞：高壓壓氣機整流器;真空釬焊;變形控制

Key words： high pressure compressor rectifier;vacuum brazing;deformation control

中圖分類號：U263.12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0140-03

0 ?引言

航空發動機是釬焊應用最廣泛的領域之一，航空發動機推力大，燃油溫度高，使用的結構材料多為不銹鋼、鋁、鈦含量較高的高溫合金，它們的熔焊性能一般較差，因此主要依靠真空或保護氣氛爐進行釬焊連接[1]。航空發動機中壓氣機、機匣、燃燒室等部件均采用焊接結構，本文研究的高壓壓氣機整流器是焊接結構中的一種類型。高壓壓氣機整流器由外環與葉片焊接而成，是發動機中高壓壓氣機機匣靜子部分的重要零件之一，主要作用是對氣流進行梳理和擴壓，提高發動機的工作效率，其工作狀態直接影響發動機的總體性能和穩定性，精度要求非常高。

1 ?釬焊概述

釬焊是指低于焊件熔點的釬料和焊接同時加熱至釬料熔化溫度后，利用液態釬料填充至固態零件的焊縫處，使得金屬連接的焊接方法。釬焊時，首先要去除母材接觸面上的氧化膜和油污，有利于毛細在釬料溶化后發揮作用，增加釬料的潤濕性和毛細流動性。根據釬料的熔化點的不同，釬焊又分為硬釬焊和軟釬焊[2]。

真空釬焊是被焊零件放置在真空氣氛中不用施加釬劑而連接零件的一種工藝方法，可以釬焊那些用一般方法難以連接的材料和結構，得到光潔致密，具有優良力學性能和抗腐蝕性能的釬焊接頭[3]。釬焊變形小，焊縫光滑美觀，適合于焊接精密、復雜和由不同材料組成的零件。釬焊前對工件必須進行細致加工和嚴格清洗，除去油污和氧化膜，保證焊縫處的光潔度以及間隙，間隙一般要求在0.01～0.1mm之間。

2 ?零件釬焊結構及工藝要求

零件的結構如圖1所示 由外環與葉片組成，焊接位置為葉片葉冠與外環如圖所示的接觸面，其外環材料為沉淀硬化不銹鋼，葉片為馬氏體不銹鋼。加工外環時，在外環上按葉片裝配尺寸加工葉片槽，為了保證葉片與外環上的葉型孔具有良好的配合，外環上的葉片槽加工精度非常高。其技術難點在于：零件的結構為懸臂式結構，葉片與外環的連接方式為搭接，葉片搭接處尺寸公差較大，裝配過程中間隙難以控制在釬焊間隙范圍內、結構復雜、填充釬料困難、釬料熔化溫度高、釬焊變形難以控制、釬焊質量難以保證，焊接后的熱處理需要兼顧兩種不同材料的力學性能。

3 ?零件的釬焊工藝

根據零件的結構特點、釬焊要求及加工精度要求，其釬焊的工藝要點包括：表面清潔、定位方式、間隙控制、釬料的填充方式，為此制定工藝路線為：集件、檢查→間隙控制→清洗→裝配→氬弧焊定位焊→表面處理→填充釬料→烘干→真空釬焊→熱處理→檢驗。

3.1 釬焊前的準備工作

3.1.1 集件、檢查

按設計要求進行集件，并檢查零件上應無磕碰傷、銹蝕等缺陷。

3.1.2 釬焊間隙控制

釬焊間隙是在焊件之間的裝配間隙，釬焊間隙的大小不僅在很大程度上決定釬焊縫的性能，而且也是影響釬焊工藝執行的難易程度。

該零件采用試裝配方式控制釬焊間隙，釬焊時是依靠毛細作用使釬料填滿間隙，在焊縫周圍形成規整的釬角，因此正確選擇焊縫問隙很大程度上影響焊縫的致密性和強度。不同的釬料對焊縫間隙的要求也有所不同，該零件使用的釬料為HBNi82CrSiB鎳基釬料，鎳基釬料要求焊縫間隙為0.02～0.1mm，這是因為HBNi82CrSiBFe鎳基釬料含有3%左右的硼，4.5%左右的硅，釬焊時可以形成脆性相的元素，為保證焊縫的性能，應盡量使這些元素在焊縫內通過擴散作用而降低到最低程度。當間隙小時，這些脆性相元素數量少，向母材擴散的距離短，可以通過擴散使得這些元素在焊縫中濃度降低。從而避免產生脆性相，提高釬焊強度。有關資料表明：當間隙為0mm、0.05mm、0.1mm、0.15mm時，脆性隨著間隙的增加而增大。間隙在0.15時，脆性相最多，并形成明顯的連續層，焊縫的強度嚴重下降，因此焊縫最佳間隙應控制在0.02mm～0.1mm之間。

采用試裝配時方法可以控制焊縫的間隙。試裝配時，在葉片緣板與整流器外環之間塞≤0.1mm的不銹鋼薄片使得葉片緣板與整流器外環間隙的間隙均布，間隙超出0.1mm時，需要重新選配葉片;出現緊度時，調整不銹鋼鋼箔的厚度，保證間隙越小越好，有利于提高釬焊質量要求，并記錄葉片裝配順序。

3.1.3 表面處理

裝配前，清除零件表面油污、臟物是釬料和母材相互潤濕、擴散填充釬縫的前提條件。零件在周轉過程中容易出油污、臟物，如果表面不干凈，釬焊加熱過程中極易在表面生成一層氧化物，阻礙釬料流動潤濕，因此釬焊前，采用超聲波清洗后，再采用非氯化物的溶劑（如丙酮、酒精）進行整體擦洗，然后采用冷水或熱水沖洗。清洗干凈的零件采用烘干箱或吹風機將零件表面烘干。

3.1.4 裝配

根據試裝配后標記的葉片順序，裝配葉片至整流器外環上，檢查葉片緣板與整流器外環之間的間隙≤0.1mm，間隙≤0.02mm時，允許輕微銼修葉片緣板。

3.1.5 氬弧焊定位焊

按試裝配時標記的葉片順序裝配葉片至整流器外環槽內，并在葉片緣板處加塞≤0.1mm的不銹鋼薄片，已提升葉片緣板與整流器外環之間間隙的均勻性，裝配完成后，采用氬弧焊點焊方式將葉片定位至整流器外環槽內，防止釬焊過程中松動，影響釬焊質量。氬弧焊接時，采用對稱焊接方式進行，可減少焊接變形，焊疤尺寸應控制在2～3mm范圍內，過大的焊瘤影響后續添加釬料，從而導致釬料不足，影響釬焊質量以及機械加工后質量;反之，焊瘤較小，起不到點位定位作用，葉片容易松動、開裂，對釬焊不利，需要補焊。

3.1.6 清洗

對氬弧焊定位點焊的葉片與整流器外環采用非氯化物的溶劑（如丙酮、酒精）進行整體擦洗，然后采用冷水或熱水沖洗。

3.1.7 填充釬料

釬料的填充原則是應盡可能利用釬料熔化后自身的重力作用和焊縫的毛細作用來促進釬料填滿間隙。

填充釬料前，檢查釬焊縫間隙應符合工藝要求，將膏狀釬料或用丙酮調稀的粘帶狀釬料裝入圖2所示的注射器后填充至葉片與整流器外環焊接處，填充釬料時，應保證釬料均勻一致，釬料的填充量應填滿間隙處，并形成合適且均勻一致的高度和寬度。釬料填充好后，清理掉非釬焊部位多余釬料，并在釬焊處周圍涂敷阻流劑，防止釬料在釬焊過程中流淌至非釬焊部位。

3.1.8 烘干

將填充好釬料的零件放入烘干箱內對釬料的粘接膠進行烘干，溫度為130～150℃，時間1～2h，防止釬料中粘接用的膠在釬焊過程中揮發，影響釬焊質量。

3.2 真空釬焊

①將零件放入平面度≤0.1mm的夾具上，并在夾具與零件的接觸面涂敷阻流劑，防止釬焊過程中，釬料流淌，將零件與夾具粘連在一起。

②釬焊工藝參數：零件裝爐后，抽真空至≤4×10-2P后，開始加熱升溫，然后以低于10℃/min左右的升溫速度加熱至500℃～600℃之間的某一溫度段保溫一定時間，有利于粘接膠揮發以及零件內外溫度均勻一致，減少零件變形，保溫結束后再以10℃/min左右的升溫速度加熱至900℃～1000℃之間的某一溫度段保溫一定時間，再以10℃/min左右的的升溫速度加熱至釬焊溫度保溫一定時間，待釬焊充分熔化、鋪展后，隨爐冷卻至950℃左右，待釬料凝固后，充氬氣并啟動風機快速冷卻至200℃以下出爐空冷。

3.3 熱處理

零件為不銹鋼材料，釬焊相當于淬火，應立即進行回火熱處理，一方面為了消除釬焊（淬火）時產生的殘余應力，防止變形和開裂，另一方面調整零件硬度、強度、塑性和韌性達到使用性能的要求、改善和提高加工性能等，因此回火是零件獲得所需性能必不可少的工序。

4 ?檢驗

釬焊后，對零件的釬焊質量以及變形、硬度等進行檢驗，其焊縫質量非常好，硬度滿足設計要求，但是零件整體變形非常嚴重，由于零件內徑無加工余量，不滿足設計要求，且零件局部與夾具粘連，無法正常取出零件，需要采用破壞夾具保零件，不僅影響產品交付，制約著某型機的研制，對于釬焊的工裝浪費大，為此我們從釬焊過程的每一個環節進行分析、改進影響因素，提高產品質量和生產效率。

5 ?存在問題分析及改進措施

5.1 零件釬焊變形的原因分析以及改進措施

根據零件的檢驗結果，我們從零件結構、材料、釬焊過程以及使用夾具等方面查找導致零件變形超差因素。

5.1.1 變形原因分析

①零件結構。該零件為環形件，根據設計結構要求，在外環的中間部位加工了周向凹槽以及沿著凹槽的徑向方向加工了葉片裝配型面，機型加工應力大，其形狀復雜，且預留加工余量大，且在加工后未對零件進行除機加應力處理，導致釬焊加熱過程中應力釋放產生變形。

②材料分析。零件外環材料為不銹鋼，由于使用釬料的釬焊溫度相當于該材料的淬火溫度，為了滿足材料的力學性能，冷卻過程中采用充氬氣風機攪拌快速冷卻，導致零件變形。

③釬焊工藝。釬焊過程是一種特殊的熱處理，加熱過程以及冷卻過程中，其加熱過程中加熱不均以及充氬氣并攪拌風機的快速冷卻方式等也會導致零件變形。

④使用夾具情況。由于零件在釬焊過程中采用夾具限制變形量，極易發生釬料熔化后流淌至與零件的接觸面，導致零件與夾具焊接粘連、零件被脹大、碰傷葉片等風險;因此釬焊過程中未使用夾具控制變形。為此在回火時，設計了一種外頂式校正回火夾具，其結構見圖3所示，采用的校正方式為回火時帶夾具校正方式，采用產品進行校正回火試驗后，檢驗其變形情況，發現不僅未達到校正效果，零件的結構變成S形，無法滿足設計要求。

5.1.2 改進措施

①整流器外環零件在加工周向凹槽以及沿著凹槽的徑向方向加工了葉片裝配型面后，由于加工產生較大的機加應力，為此增加了一道除應力處理工序，有效去除了因加工凹槽產生的機加應力。

②根據零件的特點，釬焊時，采用夾具可以抑制應力釋放導致巨力變形，另一方面，冷卻過程中，夾具可以輕微阻止充氣冷卻風壓，為此根據零件的結構，膨脹系數原理，選擇的夾具的剛性應大于釬焊零件材料，這樣在釬焊過程中，焊件的變形始終收夾具的限制，為此通過研究，設計出了夾具的最佳尺寸，夾具尺寸為零件的名義尺寸加0.5mm～1.0mm（見圖4所示）。

③我們通過熱循環工藝試驗，將采用不大于5℃/min的升溫速率進行加熱，使零件的焊接應力緩慢均勻地釋放，同時使零件受熱升溫均勻，避免熱應力和焊接應力不均而造成過大的圓度。

④為此根據該整流器的結構設計了一種內撐式的校正回火夾具（見圖5所示），夾具設計制造的材料與整流器外環膨脹系數相類似材料制造。雖然釬焊變形有很大改善，由于設計的內撐式夾具的配合尺寸僅比零件名義尺寸小0.3mm，故釬焊后變形的零件以裝入夾具中，為此我們研究了一種加熱零件至200℃～300℃保溫一定時間后，零件膨脹后裝入底座中，蓋上上壓板，采用楔子將零件緊緊卡入上壓板與底座之間，便于回火加熱時，零件產生塑性變形過程，將零件校圓。

5.2 零件局部與夾具粘連原因分析及改進措施

零件釬焊時，平放在夾具上，由于零件釬焊處距離夾具端面較近，且該釬料的潤濕性非常好，雖然采用了阻流劑，但是釬料在高溫下融化后重力作用流淌至夾具端面上，導致夾具與零件粘連，為了防止零件與夾具粘連，我們采用在夾具上噴涂一層化學性質不活潑、高熔點、高電阻率、低膨脹系數的氧化鋯，有效防止零件與夾具粘連。

6 ?實施效果

根據對產品生產過程中存在的問題進行原因分析，并采取相應的改進措施，統計了后續產品的加工記錄，零件變形情況得到大大改善，采用合理的夾具，可有效提高了生產效率，為某型機的研制奠定了堅實基礎。

7 ?結論

①制定合理的工藝路線可獲得符合設計要求的釬焊質量。

②采用合理的釬焊工藝參數，能夠滿足整流器真空釬焊要求。

③采用合理校正回火夾具，可有效控制零件變形，滿足設計要求。

參考文獻：

[1]張啟運，莊鴻壽.釬焊手冊[M].機械工業出版社，2008.

[2]王福東.焊接式航空發動機整流器加工工藝研究[J].新技術新工藝，2017：1.

[3]鄒僖，釬焊[M].北京：機械工業出版社，1989.