新技术新工艺2012年第8期 先进焊接技术在发动机整体叶盘修复中的应用 黄艳松,马俊文,冯保东 (海军驻株洲地区航空军事代表室,湖南株洲412002) 摘 要:整体叶盘是现代航空发动机的一种新型结构部件,对于提高发动机性能具有重要作用。当 整体叶盘在加工过程中出现缺陷或在使用过程中发生损伤,如果无法进行修复,将导致整个叶盘报废,并 造成巨大的经济损失。可见,整体叶盘的修复技术是整体叶盘应用和发展的瓶颈。本文研究了整体叶盘 损伤失效的特征,分析了激光熔焊、钨极氩弧焊、激光熔覆、激光成形修复及线性摩擦焊等5种修复技术 的工艺特点及应用情况,就整体叶盘修复技术的发展提出了建议。 关键词:整体叶盘;损伤;修复;激光熔覆;激光成形修复;线性摩擦焊 中图分类号:TG 44 文献标志码:A HUANG Yansong,MA Junwen,FENG Baodong (Customer Representative Office in Zhuzhou Area,Zhuzhou 412002,China) Abstract:The blisk is a core part of new generation aero engine,it plays an importance role in improving property.If there are some defects during the processing or damages under the usage,they will not be repaired,which will lead to the Application of Advanced Welding Technology on Repairing of Aero Engine Blisks reject tO whole blisk and will cause the great economic losses.So blisk repairing technology is the bottleneck in blisk appli— cation and development.The paper studied the characteristic for the failure on hlisk damages.It does not only analyzed the characteristics and applications of the following 5 repairing technologies,or laser fusion welding,fig welding,laser clad— ding,laser forming repair and linear friction welding,but also put forward some suggestions on developing blisk repairing technologies. Key words:Blisk,Damage,Repair,Laser cladding,Laser forming repair,Linear friction welding 20世纪8O年代中期,在航空发动机结构设计 中出现了整体叶盘(Blisk)的结构,它将传统结构的 盘应用和发展的瓶颈。 叶片和轮盘设计成为整体,省去了传统连接方式采 用的榫头、榫槽和锁紧装置,使得结构质量轻、零件 1整体叶盘主要损伤特征 转子叶片在工作中承受很大的离心力、气动力 数量少,避免了榫头的气流损失,使发动机整体结构 大为简化、推重比和可靠性明显提高。目前,该结构 和振动应力作用,尤其是涡轮叶片还承受温度应力, 工作条件最为恶劣,因此其失效概率相对较高。据 统计,在发动机零部件的失效事件中,转子叶片占 7O 。转子叶片的失效模式随工作条件的不同而 有所不同,主要是外物损伤、变形伸长和断裂3 种n-I。 已被广泛应用于新一代航空发动机的风扇、压气机 和涡轮转子上,如F414、F119、EJ2O0等发动机的风 扇、压气机转子都采用了整体叶盘的结构。美国国 防部与工业界开展的综合高性能涡轮发动机技术计 划(IHPTET)中指出,到2010年,战斗机的涡轮都 将采用整体叶盘结构。 整体叶盘结构设计复杂、通道窄、叶片型面也复 杂,对制造技术提出了更高的要求,同时其材料主要 叶片的外物损伤主要由沙石、冰块、金属块和飞 鸟等外物磨蚀、冲击与撞击作用而造成的,损伤后表 面一般表现为凹坑、掉块、表面剥落、弯曲变形、裂纹 和折断等。转子叶片变形伸长失效的直接后果是叶 是钛合金、高温合金等难加工、难变形的贵重金属, 导致了整体叶盘加工难度大、制造成本高以及生产 周期长。另外,制造过程出现的产品缺陷,也常常导 致叶盘的整体报废,进一步增加了制造成本。同样, 如果整体叶盘在使用过程中出现裂纹、断裂等损伤, 就可能因为任一叶片损坏导致整个叶盘报废。无论 加工过程出现的缺陷还是使用过程发生的损伤,都 身与机匣发生碰磨,可能导致转子“抱死”,致使发动 机空中停车,危及飞行安全。材料选用或热处理工 艺不当、发动机超温或超转,都有可能导致转子叶片 变形伸长。转子叶片断裂失效是危害性最大的损 伤,主要为离心力叠加弯曲应力引起的疲劳裂纹、由 振动环境引起的颤振、扭转共振、弯曲振动疲劳裂纹 以及由环境介质和接触状态引起的高温疲劳、微动 将导致巨大的经济损失,可以说,修复技术是整体叶 疲劳和腐蚀损伤导致的疲劳断裂。 78 I 《新技术新工艺》加工工艺与材料研究 加工工艺 材料研究 综上所述,整体叶盘叶片的损伤部位主要在叶 公司认为,钨极氩弧焊方法会影响到修复件的使用 身前缘、叶尖、叶身及叶根,损伤特征一般为前缘受 寿命,所以,限制了其在关键转子如高性能风扇叶盘 击伤发生卷边、开裂、掉块,叶型表面出现裂纹,叶身 上的应用。 断裂或局部缺块等。 2.3激光熔覆与激光成形修复 2 整体叶盘损伤修复技术 2.3.1激光熔覆 激光熔覆可实现在材料上覆盖高性能覆层(耐 2.1 激光熔焊 磨、耐高温和耐腐蚀等)。在航空航天领域,激光熔 激光熔焊具有能量密度高、变形小、焊缝深宽比 覆可用于高温合金、钛合金与合金钢零件的表面局 大等优点,特别是激光熔焊无需真空室,工艺可达性 部强化,修复零件磨损表面,消除零件铸造缺陷,愈 好,结合机器人和激光视觉传感系统可实现三维空 合零件服役产生的早期微裂纹[5]。激光熔覆修复的 间焊接及柔性焊接[2]。 优点主要体现在工艺自动化、小的热应力和热变形 沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司常敏 等,通常用于修复一些深度无法直接测量的非穿透 等 对激光熔焊修复叶尖裂纹工艺进行研究,实现 性裂纹,所采用的工艺是根据裂纹情况多次打磨、探 了对某发动机高压涡轮工作叶片(材料为 C一 伤,将裂纹逐步清除,打磨后的沟槽用激光熔覆添加 6Y)叶尖裂纹的修复工作,所采取的工艺过程有以 粉末的多层熔覆工艺填平,即可重建损伤结构,恢复 下几个步骤:清洗叶片表面,除去表面涂层和杂质; 其使用性能。 荧光检查确定裂纹的位置,用机械打磨与着色跟踪 激光熔覆过程中,激光束在叶片顶端形成很浅 法去除裂纹;选择合适的补焊材料,对裂纹进行补 的熔深,同时金属粉末沉积到叶片顶端形成焊道。 焊;焊后用超声波处理消除焊接应力,依据大修工艺 在计算机控制下,焊道层叠使熔覆层增长。与激光 要求对叶片进行外观检查、荧光检查、恢复性能热处 熔覆修复受损叶片不同的是,手工钨极氩弧焊堆焊 理和复涂涂层等。经过修复后的叶片经金相组织检 的叶片堆焊后必须进行额外的后处理。叶片顶端要 查、热冲击试验和试车考核满足发动机使用要求。 进行精密加工以露出冷却过程中形成的空隙,而激 由此可见,激光熔焊可作为叶片裂纹的修复工 光熔覆省去了这些加工过程,减少了时间和成本。 艺。但是,补焊前应根据叶片材料的主要化学成分 激光熔焊可以强化材料表面合金熔覆层,提升合金 及性能,充分考虑补焊材料与基体材料的相容性、热 表面的力学和化学性能。相关资料表明,采用激光 膨胀系统系数相近和良好的高温力学性能、热疲劳 熔覆技术修复的航空部件强度可达到原强度的 性能等因素,合理确定用于补焊的材料。 90 以上,因此,激光熔覆技术相对钨极氩弧焊熔覆 2.2钨极氩弧焊 在航空领域更具有价值。 德国MTU公司利用钨极氩弧焊对整体叶盘损 2.3.2激光成形修复 伤进行修复,如图1所示。修复工艺分为3个步骤: 激光成形修复技术的技术基础是激光熔覆表面 切除叶片的损伤部位;用夹具装夹替代部位的搪衬, 技术和快速成形技术,其原理是以损伤零件为基体, 并采用钨极氩弧焊进行焊接;最后,通过自适应铣削 通过计算机控制激光头、送粉喷嘴(或送丝头)及工 方法恢复叶型的轮廓尺寸。 作台按指定空间轨迹运动,在待修复区域逐层积粉 末或丝材,最后生成与缺陷部位近形的三维实体 ]。 常规的激光熔覆技术只是一种表面强化和改性技 术,可用于修复一些没有成形要求的表面缺陷,如表 面微裂纹、表面腐蚀点及表面小凹坑等,而激光成形 修复技术可满足叶片叶型较大面积损伤缺陷的修 复。 激光成形修复技术克服了传统修复技术接合力 图1 德国MTU公司修复整体叶盘过程 弱、修复位置困难及控制性能差等不足,可以获得良 钨极氩弧焊方法操作简单,工艺过程容易实现。 好的修复件组织和性能。同时,由于激光能量在功 但是,钨极氩弧焊易出现未焊透、咬边、气孔、裂纹、 率密度和时空分布上的可控性远远高于其他能源。 夹钨、氢脆、材料塑性显著降低、高残余应力、结构变 因此,可以最大限度地减小修复零件带来的负面影 形及较大的热影响局等缺陷 。因此,英国罗・罗 响,如减少变形、热影响区等,特别是在激光立体成 《新技术新工艺》加工工艺与材料研究 I 79 新技术新工艺2012年 第8期 形过程中,可以通过同步控制合金成分和组织,达到 控制修复区成分、组织而使修复区与零件基体的性 除焊接凸台以恢复叶型轮廓尺寸。 能保持高度一致,从而实现高性能匹配修复。 目前,美国及欧洲已将激光成形修复技术应用 于飞机以及陆基和海基系统钛合金零部件的修复, 他们还采用这项技术实现了Ti一17整体叶盘前缘 的激光快速修复。美国H&R技术公司对一度被 认为是不可修复GE—T700整体叶盘进行了激光 叶盘半成品 摩擦焊加工 熔覆修复,修复后整体叶盘外观如图2所示。近年 来,西北工业大学对TC4钛合金叶片的叶身前缘、 阻尼台的缺陷及磨损进行了激光成形修复研究,在 保证激光修复区与基体形成致密冶金接合的基础 上,实现了叶片形位的良好恢复。 本文介绍的5种修复技术有各自的特点和优 图3线性摩擦焊制造整体叶盘过程示意图 3 结语 势,在实际应用过程中,应根据整体叶盘不同的损伤 特征选择性地使用。激光熔焊、激光熔覆较适合于 整体叶盘表面裂纹、表面腐蚀点和表面凹坑等损伤 的修复。钨极氩弧焊、线性摩擦焊可用于整体叶盘 叶身断裂或缺块的修复,但钨极氩弧焊容易出现各 a1檄光修复后 b)抛磨后 种焊接缺陷,对工件性能影响较大,在使用上受到一 定的限制,因此,线性摩擦焊是整体叶盘叶片替换式 修复的主要方法和发展方向。激光成形修复优点明 显,可以用于整体叶盘前缘损伤和型面较大面积损 图2美H&R技术公司激光熔覆修复GE--T700整体叶盘 2.4线性摩擦焊 线性摩擦焊最初主要应用于塑料的焊接。2O 世纪8O年代中期,英国罗・罗公司与德国MTU公 司为研制EJ200发动机,发展了线性摩擦焊技术, 并申请了线性摩擦焊修复整体叶盘的专利。 线性摩擦焊属于固态连接技术。在焊接过程 伤的修复,尤其是激光成形修复技术具有能够实现 工艺自动化、修复过程可控和修复效率高等特点,更 决定了其未来在整体叶片损伤修复领域的广阔应用 前景。 中,由于零件的高温是通过2配合面间的相互高频 振荡产生的,焊接处的材料并未熔化,无焊接弧光和 飞溅,因此不会出现一般焊接中易发生的脱焊现象, 连接处也不见焊缝_7]。 该项技术相对于其他焊接方法,还有以下优点: 不存在传统熔焊过程的疏松、夹杂、气孔及裂纹缺 陷;不需保护气体;可以进行异种材料焊接;焊接接 头性能稳定;热影响区窄、应力低、变形小、完整性 高;焊接过程可完全机械化和自动控制,可靠性高 等 ]。因此,线性摩擦焊的出现不仅推动了整体叶 整体叶盘是新一代航空发动机的核心零部件, 先进的修复技术是延长整体叶盘寿命及修复后运行 效能的关键技术。相对于整体叶盘的制造技术,整 体叶盘损伤的修复技术要复杂得多,在修复工艺参 数的确定,修复对工件组织、性能的影响,修后工件 的后续恢复性能处理等方面仍需进行大量的试验研 究。欧美等航空工业发达国家一直非常注重整体叶 盘制造、修复技术的应用和发展,已经取得明显的成 果。我国整体叶盘制造技术已取得初步成果,如在 整体叶盘的五坐标数控铣、电解加工及毛坯精密铸 造等工艺有较大突破,而整体叶盘先进的修复技术 盘制造技术的发展,也解决了整体叶盘叶片断裂或 较大面积缺块损伤修复的难题。 采用线性摩擦焊制造整体叶盘时,叶盘根部和 应用还处于起步阶段,开展整体叶盘损伤的修复技 术研究迫在眉睫。为满足新一代航空发动机的要 求,我国应加大先进工艺装备投入和基础技术研究 力度,加强国际合作,借鉴国外经验,鼓励科研机构 开展整体叶盘修复技术的预先研究,强化产、学、研、 用合作,在新一代航空发动机型号研制时,同步开展 整体叶盘修复技术研究,努力缩短与发达国家的差 距。 轮盘的连接处通常留有余量,焊接后采用机加方法 去除,线性摩擦焊制造整体叶盘过程如图3所示。 参照整体叶盘的制造方法,采用线性摩擦焊修复断 裂(含缺块)叶片的工艺过程是,首先将损伤叶片切 去,同时在切除处重建焊接用凸台,并采用线性焊接 方法将新叶片焊接到叶盘上,最后通过机加方法去 80 I 《新技术新工艺》加工工艺与材料研究 电子信息 自动控制 基于AT8 9 S5 2单片机 的直流电动机驱动控制系统* 王延忠 ,邹 武 ,戈红霞 ,吕庆军 (1.北京航空航天大学,北京100191;2.中国北方车辆研究所,北京100072) 摘 要:介绍1种基于AT89S52单片机的直流电动机驱动控制系统,主要研究了基于LMD18200的 直流电动机的H桥式驱动电路,并设计了以LM629运动控制芯片为核心的电动机驱动控制电路。系统 采用AT89S52单片机为主控芯片,用c语言编写单片机控制程序,利用VC++编写控制界面,通过串 口通信实现与上位机的联系。在Protel 99SE中绘制原理图和PCB,经过调试实现了对电动机速度和位 置闭环控制。 关键词:直流电机;LMD18200;LM629;AT89S52单片机 中图分类号:TH 132.429 文献标志码:A DC Motor Drive and Control System based on AT8 9S5 2 MCU WANG Yanzhong ,ZOU Wu ,GE Hongxia ,Lv Qingjun。 (1.Beihang University,Beijing 100191,China;2.China North Vehicle Research Institute,Beijing 100072,China) Abstract:The paper described a drive and control system for DC motor,mainly researched H—bridge driver circuit for DC motor based on LMD18200,and designed the motor drive control circuit by motion control chip LM629 as the core of the circuit.The system made use of AT89S52 as the master chip,the control program was written by C language and used VC ++to write the control interface to realize connection with the host computer via the serial port.Draw the schematic and PCB in Protel 99SE.After debugging,the closed—loop control of motor speed and position were achieved. Key words:DC motor,LMD18200,LM629,AT89S52 MCU 直流电动机是最早出现的电动机,也是最早能 成。直流电动机运行时静止不动的部分称为定子, 实现调速的电动机。长期以来,直流电动机一直占 其作用是产生磁场;运行时转动的部分称为转子,其 据着调速控制的统治地位。它具有良好的线性调速 作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电动机 特性,简单的控制性能,较高的效率及优异的动态特 进行能量转换的枢纽,又称为电枢。 性,广泛应用于汽车、玩具设备、船舶、航空航天、机 直流电动机转速 的表达式为: 械设备、精密仪器等行业领域。 U一上R 一]丽_ 1 直流电动机结构和转速控制 式中,U 是电枢端电压; 是电枢电流;R是电枢电 直流电动机的结构由定子和转子两大部分组 路总电阻; 是每级磁通量;K是电动机结构参数。 [6]林鑫,薛蕾,陈静,等.钛合金零件的激光成形修复I-J].航 参考文献 空制造技术,2010(8):55-58. E1]陶春虎,钟培道,王仁智,等.航空发动机转动部件的失效 E7] ̄lp万珠,陈贵林,梁忠效,等.压气机转子叶片类零件的制 与预防EM].北京:国防工业出版社,2008. 造与修复技术[J].航空制造技术,2010(22):36—39. [2]李亚江,吴娜,Puchkov P U.先进焊接技术在航空航天领 [8]姚希珍,胡泽.钛合金整体叶盘线性摩擦焊技术综述[J]. 域中的应用I-J].航空制造技术,2010(9):43—47. 航空制造技术,2011(16):43—47. [3]常敏,马雷,于萍.某发动机高压涡轮工作叶片故障与典 型修理技术[J].航空制造技术,2009(18):46—48. 作者简介:黄艳松(1981一),男,本科,工程师,主要从事航空 [4]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册I-M].3版.北京: 发动机设计与制造方面的研究。 机械工业出版社,2008. 收稿日期:2012年O3月16日 [5]李嘉宁,陈传忠.激光熔覆技术在航空领域中的研究现状 责任编辑王逸寰 [J].航空制造技术,2010(5):51—54. 《新技术新工艺》电子信息与自动控制 81