一种航空发动机涡轮盘与轴的惯性摩擦焊接方法
【专利摘要】一种航空发动机涡轮盘与轴的惯性摩擦焊接方法，属于航空发动机零部件制造【技术领域】。采用常规方式加工生产涡轮盘与轴构件，伴随着诸多不足之处，包括构件加工量大、材料利用率低、影响发动机的推重比性能及寿命、焊缝质量不稳定、焊接热影响区宽、焊缝的强度指标不达标等，本发明解决了现有加工技术存在的不足之处，能够保证构件的各项性能要求，具有构件加工量小、材料利用率高、不会影响发动机的推重比性能及寿命、焊缝质量稳定、焊缝的强度指标与构件本体相当的优点，完全满足航空发动机生产制造要求。
【专利说明】一种航空发动机涡轮盘与轴的惯性摩擦焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航空发动机零部件制造【技术领域】，特别是涉及一种航空发动机涡轮盘与轴的惯性摩擦焊接方法。
【背景技术】
[0002]现阶段，航空发动机制造过程中，其涡轮盘与轴构件的加工方式只有以下几种:
[0003]①采用整体锻造及整体加工方法
[0004]由于构件的结构复杂，且中间盘径较大，两端盘径较小，由于涡轮盘与轴构件的材料型号均为GH4169，使整体锻造的性能很难保证该型材料直接时效状态的变形率要求，且构件的加工量较大，材料的利用率低下；
[0005]②采用螺栓等机械连接方法
[0006]如果利用螺栓对涡轮盘与轴构件进行连接，必须加工用于螺栓紧固连接的法兰，不可避免的增加了结构的复杂性和加工成本，同时还会增加构件的整体重量和应力集中，这对发动机的推重比性能和长寿命要求均有不利影响；
[0007]③采用普通的熔焊方法
[0008]由于焊接位置的厚度要在1mm以上，需要开坡口，同时进行多层焊接，其焊接效率低且焊缝质量不稳定，焊接热影响区宽，无法满足构件的性能要求；
[0009]④采用电子束焊接方法
[0010]由于电子束焊接的焊缝为铸造组织，其力学性能指标与构件本体相比要差，一般焊缝的强度指标较构件本体要下降10%。
[0011]通过上述加工方式制造的涡轮盘与轴构件，很难全面满足航空发动机生产制造要求，严重制约了航空发动机技术的发展。
【发明内容】
[0012]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种航空发动机涡轮盘与轴的惯性摩擦焊接方法，解决了现有加工技术存在的不足之处，能够保证构件的各项性能要求，满足航空发动机生产制造要求。
[0013]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种航空发动机涡轮盘与轴的惯性摩擦焊接方法，包括如下步骤:
[0014]步骤一:在进行涡轮盘零件与轴零件焊接前，需要对焊缝处的待焊表面进行抛光处理，去除表面的氧化层，再利用丙酮除去待焊表面的油污；
[0015]步骤二:将涡轮盘零件装夹固定到焊机的尾座一侧，首先夹紧涡轮盘零件的主夹持面，保证涡轮盘零件在焊接过程中不发生旋转，然后夹紧涡轮盘零件的辅助夹持面，控制涡轮盘零件的变形，保证焊接过程中焊接面的对中；
[0016]步骤三:将轴零件装夹固定到焊机的主轴一侧，首先夹紧轴零件的主夹持面，保证轴零件在焊接过程中不发生旋转，最后在主轴上配装飞轮；
[0017]步骤四:启动焊机,主轴开始旋转,并带动轴零件及飞轮高速旋转，当转速达到预定转速后，通过对涡轮盘零件的施加压力面施加轴向压力，使涡轮盘零件移动并靠近轴零件，直到涡轮盘零件与轴零件的焊接面相接触，轴零件的施加压力面也开始承受压力，直到焊接压力到达预定压力要求，然后撤去主轴的动力，仅依靠飞轮的转动惯性带动主轴继续旋转，在涡轮盘零件与轴零件接触的一瞬间便开始摩擦生热，而摩擦热会将焊缝附近的母材加热到塑性状态，在焊接压力下，焊缝处的金属会被挤出，同时摩擦过程会不断消耗主轴和飞轮的动能，进而使轴零件的转速逐渐下降，直到主轴和飞轮的动能为零后，轴零件也随之停转，此时不能立刻撤掉轴向焊接压力，使焊接压力维持30?60秒后，方可将轴向焊接压力撤销；
[0018]步骤五:撤销轴向焊接压力，涡轮盘零件与轴零件焊接为一体，并成为组合件，组合件的焊缝为锻造组织结构，将轴零件上的装夹松开，再将组合件退回到涡轮盘零件的初始位置，最后将组合件卸下，焊接工作全部完成。
[0019]所述涡轮盘零件与轴零件的焊接面均留有摩擦焊接余量。
[0020]本发明的有益效果:
[0021]本发明与整体锻造及整体加工方法相比，构件的加工量小，材料利用率高；本发明与螺栓等机械连接方法相比，不会对发动机的推重比性能和长寿命要求产生不利影响；本发明与普通熔焊方法相比，焊接效率高且焊缝质量稳定，能够完全满足构件的性能要求；本发明与电子束焊接方法相比，焊缝的强度指标与构件本体相当；完全满足航空发动机的生产制造需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为涡轮盘与轴构件的结构示意图；
[0023]图中，I—涡轮盘零件，2—轴零件，3—焊缝，4一涡轮盘零件的施加压力面，5—涡轮盘零件的主夹持面，6—涡轮盘零件的辅助夹持面，7—轴零件的施加压力面，8—轴零件的主夹持面。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0025]实施例
[0026]涡轮盘与轴构件在焊前为分体零件，包括涡轮盘零件I和轴零件2，且涡轮盘零件I和轴零件2的材料型号均为GH4169，焊接设备为惯性摩擦焊机。
[0027]所述的一种航空发动机涡轮盘与轴的惯性摩擦焊接方法，包括如下步骤:
[0028]步骤一:在进行涡轮盘零件I与轴零件I焊接前，需要对焊缝处的待焊表面进行抛光处理，去除表面的氧化层，再利用丙酮除去待焊表面的油污；
[0029]步骤二:将涡轮盘零件I装夹固定到焊机的尾座一侧，首先夹紧涡轮盘零件的主夹持面5，保证涡轮盘零件I在焊接过程中不发生旋转，然后夹紧涡轮盘零件的辅助夹持面6，控制涡轮盘零件I的变形，保证焊接过程中焊接面的对中；
[0030]步骤三:将轴零件2装夹固定到焊机的主轴一侧，首先夹紧轴零件的主夹持面8，保证轴零件2在焊接过程中不发生旋转，最后在主轴上安装飞轮，飞轮的转动惯量为2362kg.m2 ；
[0031]步骤四:启动焊机,主轴开始旋转,并带动轴零件2及飞轮高速旋转，当转速达到预定转速的260转/分钟后，通过对涡轮盘零件的施加压力面4施加轴向压力，使涡轮盘零件I移动并靠近轴零件2，直到涡轮盘零件I与轴零件2的焊接面相接触，轴零件的施加压力面7也开始承受压力，直到焊接压力到达预定压力要求的304MPa，然后撤去主轴的动力，紧依靠飞轮的转动惯性带动主轴继续旋转，在涡轮盘零件I与轴零件2接触的一瞬间便开始摩擦生热，而摩擦热会将焊缝附近的母材加热到塑性状态，在304MPa的焊接压力下，焊缝处的金属会被挤出，同时摩擦过程会不断消耗主轴和飞轮的动能，进而使轴零件2的转速逐渐下降，直到主轴和飞轮的动能为零后，轴零件2也随之停转，此时不能立刻撤掉轴向焊接压力，使焊接压力维持30?60秒后，方可将轴向焊接压力撤销；
[0032]步骤五:撤销轴向焊接压力，涡轮盘零件I与轴零件2焊接为一体，并成为组合件，组合件的焊缝为锻造组织结构，将轴零件2上的装夹松开，再将组合件退回到涡轮盘零件I的初始位置，最后将组合件卸下，焊接工作全部完成。
[0033]所述涡轮盘零件I与轴零件2的焊接面均留有18mm的摩擦焊接余量。
[0034]实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
【权利要求】
1.一种航空发动机涡轮盘与轴的惯性摩擦焊接方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤一:在进行涡轮盘零件与轴零件焊接前，需要对焊缝处的待焊表面进行抛光处理，去除表面的氧化层，再利用丙酮除去待焊表面的油污； 步骤二:将涡轮盘零件装夹固定到焊机的尾座一侧，首先夹紧涡轮盘零件的主夹持面，保证涡轮盘零件在焊接过程中不发生旋转，然后夹紧涡轮盘零件的辅助夹持面，控制涡轮盘零件的变形，保证焊接过程中焊接面的对中； 步骤三:将轴零件装夹固定到焊机的主轴一侧，首先夹紧轴零件的主夹持面，保证轴零件在焊接过程中不发生旋转，最后在主轴上配装飞轮； 步骤四:启动焊机，主轴开始旋转，并带动轴零件及飞轮高速旋转，当转速达到预定转速后，通过对涡轮盘零件的施加压力面施加轴向压力，使涡轮盘零件移动并靠近轴零件，直到涡轮盘零件与轴零件的焊接面相接触，轴零件的施加压力面也开始承受压力，直到焊接压力到达预定压力要求，然后撤去主轴的动力，仅依靠飞轮的转动惯性带动主轴继续旋转，在涡轮盘零件与轴零件接触的一瞬间便开始摩擦生热，而摩擦热会将焊缝附近的母材加热到塑性状态，在焊接压力下，焊缝处的金属会被挤出，同时摩擦过程会不断消耗主轴和飞轮的动能，进而使轴零件的转速逐渐下降，直到主轴和飞轮的动能为零后，轴零件也随之停转，此时不能立刻撤掉轴向焊接压力，使焊接压力维持30?60秒后，方可将轴向焊接压力撤销； 步骤五:撤销轴向焊接压力，涡轮盘零件与轴零件焊接为一体，并成为组合件，组合件的焊缝为锻造组织结构，将轴零件上的装夹松开，再将组合件退回到涡轮盘零件的初始位置，最后将组合件卸下，焊接工作全部完成。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机涡轮盘与轴的惯性摩擦焊接方法，其特征在于:所述涡轮盘零件与轴零件的焊接面均留有摩擦焊接余量。
【文档编号】B23K20/12GK104400210SQ201410587770
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】刘佳涛, 祝文卉, 帅焱林, 曲伸, 李晓光 申请人:沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司