航空发动机研制中的线性摩擦焊

航空发动机研制中的线性摩擦焊摘要：本文阐述了线性摩擦焊技术的原理、应用和优点，介绍了其发展的国内外现状，论述了航空发动机研制中应用线性摩擦焊技术将面临的问题及解决措施。关键词：线性摩擦焊技术；优点；问题；解决措施1线性摩擦焊技术简介1.1原理线性摩擦焊是摩擦焊技术的一种，属于压力焊或固相焊接的范畴，焊接原理是两焊件在轴向压力作用下沿焊接面上某一方向以一定的振幅和频率作直线往复相对运动，产生大量摩擦热使焊接面软化形成粘塑性金属层，并不断被挤出形成飞边，当接头达到一定缩短量时两焊件迅速对中并施加顶锻压力完成焊接。工件接触面摩擦产热，待焊金属在压力作用下，通过界面组织动态再结晶形成锻造焊缝。1.2应用线性摩擦焊主要用于航空发动机整体叶盘、飞机结构件的焊接。1.3优点线性摩擦焊技术具有摩擦焊接技术的优质、高效、节能及环保等共同优点。其与旋转摩擦焊相比，能够实现非轴对称复杂截面的固相连接，焊接范围更广；焊接界面整体加热和受力均匀，实心零件焊接质量更高。加工过程可节约大量贵金属材料，生产效率高；可实现不同材料或同材料不同组织零件的焊接，得到双合金/双性能整体组件；可对损坏的单件进行快速修理；避免了熔焊方法易出现的偏析、裂纹、气孔等缺陷，接头力学性能接近甚至超过母材等优点。1.4工艺过程线性摩擦焊工艺过程分为压紧、摩擦、顶锻、保持四个阶段。待焊件被轴向压力对中压紧；焊件作线性往复相对运动，焊接面摩擦产热；摩擦热使焊接面软化形成粘塑性金属层，塑性金属不断被挤出；达到一定缩短量时迅速对中并施加顶锻压力完成焊接。这四个阶段依次发生，前一个阶段的充分进行是下个阶段正常发生的前提和保证。1.5设备我国随着基础装备制造业的发展有了长足进步，由原来只能生产轴向摩擦焊设备，到可生产轴向、径向、线性、搅拌摩擦焊设备。生产单位发展到近20家，年产近500台套。我国虽是摩擦焊设备制造大国，但不是制造强国，关键零部件仍依赖进口，且存在产能严重过剩，质量良莠不齐的问题。国际主要设备制造商为美国MTI公司、法国ACB公司和英国KUKA公司。他们生产的设备精度高，且在工艺研究和工装开发方面经验比较丰富。线性摩擦焊机可分为三类：液压式、机械式和电磁式。液压式的原理是利用伺服阀为移动夹具油缸两侧提供交变的液压油，使夹具带动工件做往复运动，同时轴向加压顶力。机械式是利用旋转式电机加上一套将旋转运动转换为往复运动的传动机构。电磁式是通过电磁铁的吸合和释放来实现往复运动，频率可调范围大，但推力有限，仅限于一些塑料件的焊接，且冷却结构复杂、成本高。2线性摩擦焊技术国内外现状国内的线性摩擦焊发展较晚，正处于研究阶段。各大研究院所和高校正在开展TC4、TC17、TC11等多种材料基础性研究以及部分零件的加工验证，还不具备工程化批量生产能力。1929年德国和1959年俄罗斯分别提出了线性摩擦焊概念，1969年英国一项专利描述了焊接低碳钢的线性往复机构。20世纪80年代，英国开始进行系统研究，研制出线性摩擦焊原型机，可用于方形、圆形、多边形等不规则截面金属和塑料构件的焊接。由MTU和RR等公司为整体叶盘的焊接制造与修复，最先开始推动和发展了线性摩擦焊接新设备和新技术，于2000年开始逐步成功应用于不同型号航空发动机整体叶盘制造。现国外军用航空发动机已成熟应用，尤其在英、美、德国，已广泛应用于风扇整体叶盘的制造和修复。3航空发动机研制中应用线性摩擦焊技术存在的问题我国线性摩擦焊技术理论研究落后于西方国家，其工程化应用更是存在诸多问题。尤其在航空发动机研制中，线性摩擦焊技术整体水平较低，与国际先进水平存在很大差距。线性摩擦焊主要加工过程为：准备零件-线性摩擦焊-焊接精度检测-焊后热处理-焊缝无损检测-焊接部位加工-产品最终检测，在各个过程中主要存在的问题如下：3.1结构设计难点不同焊接零件焊接结构和焊缝位置的选择没有成熟经验可以借鉴，其数值模拟、优化设计与试验验证需要设计和工艺人员密切配合、协同研发。3.2加工过程难点焊接工装的定位、焊接参数的选择及焊接精度的控制是重点。热输入不足，界面氧化严重；热输入够，但焊接时间过短，会导致焊接过程金属塑性流动不足，焊接界面的微孔没有完全消失或挤出，结束后会在焊缝中心产生残余空洞；刚性不足，摩擦过程中沿三维方向的颤动程不仅破坏了焊接界面的封闭性，造成界面金属的氧化，而且使氧化物挤出更加困难。热处理工序的安排对于消除焊接残余应力、改善焊缝组织和性能起关键作用，也关乎零件的变形控制，所以需严格把关。焊接加工路线及参数选择、加工工序变形控制、焊缝表面强化等后续工序的变形控制一影响着整体焊接水平。3.3检验检测难点焊缝的无损检验、零件尺寸精度检验、焊缝表面质量检查是检验的重点，既要检测准确、又不能过度测量，检查方法的选择至关重要。3.4应用基础薄弱我国航空发动机制造业应用线性摩擦焊技术滞后，没有先进的软硬件环境、没有先进的应用理念、没有信息资源平台、设施不配套、人员培训不到位等问题突出。4航空发动机研制中应用线性摩擦焊技术的措施4.1资源共享在发动机研制全过程中深度贯彻应用线性摩擦焊技术，这一理念要深入人心。在零件的设计、制造、修补加工等各个领域，在研究院所和高校的实验室、借助院所的科研平台和专家队伍，组建联合研发团队。4.2培养专业人才发动机研制过程中，联合培养/逐步引进骨干技术人员，根据专业发展需求，培养焊接、材料、数值模拟仿真、检验检测、加工等各专业技术人才，组件专家团队，共同研制攻关，解决技术问题。4.3制定适宜标准只有制定了航空发动机行业自己的线性摩擦焊技术标准规范，在发动机研制过程中完善规范，才能推进线性摩擦焊技术的全面有效应用。4.4配备硬件设施应用线性摩擦焊技术必须具备基本的软硬件条件，如基础网络、数据库等软件配置等。设备方面不仅要使用常规焊接设备，还要引进先进设备及其配套设施，才能使这一技术得到更好的应用。5结束语我国航空发动机正处于三代向四代机过渡的重要阶段，要提高发动机的制造水平，需引用大量先进制造技术。与传统的焊接方法相比，线性摩擦焊不仅具有摩擦焊技术的高可靠性、绿色节能、接头焊接缺陷少等优点，且能克服传统轴向摩擦焊对焊件形状的限制，是解决整体叶盘设计与制造的关键技术。现国外发展较快，国内刚刚起步，面对此技术应用过程中的加工难点、与国外发达国家的巨大差距，我们只有立足现状，正视问题与差距，开展大量的工艺开发和基础理论研究工作，分析原因、采取针对性的措施，才能真正掌握线性摩擦焊技术，提高生产制造水