空气导管电子束焊搭接接头结构改进研究

摘 要：某型航空发动机空气导管组件采用电子束焊接工艺，内、外筒体凸台焊缝采取搭接接头结构进行连接，由于焊缝结构影响，焊后无法对焊缝未熔合缝隙进行车加工，零件在长期使用过程中，发现内外筒体凸台焊缝存在开裂现象。本文通过工艺试验对接头结构进行优化改进，提高了焊缝接头强度，同时，增加的防焊接飞溅槽能够焊将接飞溅封闭在工艺槽内，避免对内、外筒体零件的击伤。

关键词：空气导管；电子束焊接；搭接接头

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.017

0 前言

真空电子束焊接工艺具有穿透能力强、热影响区小、深宽比大等优点，广泛应用于航空发动机零部件的制造中。某机空气导管组件，由内外筒体零件经电子束焊接而成，材料为TC11。该组件共有8条电子束焊接焊缝，包括环焊缝、搭接焊缝以及端面焊缝，其中，内、外筒体凸台焊缝采用搭接接头结构，零件使用一定时间后，外场发现凸台焊缝处出现开裂。经过分析，凸台焊缝开裂主要由于焊缝接头强度相对较低，一旦端面焊缝出现疲劳裂纹，凸台焊缝极易出现开裂现象，影响零件的使用寿命。因此，有必要针对空气导管零件凸台焊缝接头结构进行优化，提高焊缝接头强度，延长零件使用寿命。

1 原焊缝接头结构

零件凸台焊缝接头结构如图1所示，内、外筒体共有5个圆周凸台焊缝，每个圆周均布6个凸台，合计共有30个凸台焊缝，通过真空电子束焊接将内、外筒体进行连接。

设计图纸要求凸台搭接接头焊缝熔深为4mm，焊缝长度为1mm，焊缝宽度为2mm，电子束焊接采用非穿透焊接工艺，为防止将内筒体零件击伤，焊缝长度、宽度方向不能完全将凸台覆盖，同时，由于零件结构因素影响，焊后无法进行车加工，造成在焊缝长度、宽度方向存在着未熔合缝隙，降低了焊缝的接头强度。

2 改进方案

根据焊缝强度分析，内、外筒体凸台焊缝脱开将使端焊缝应力水平增加最大可达32%。为了增加内、外筒体凸台焊缝的接头强度，经初步分析，拟定以下三种改进方案，见图2、图3、图4。

与原凸台焊接接头结构相比，三种新方案的结构特点如表1所示。

3 试验验证

3.1 焊缝方向选择试验

凸台焊缝采取周向或轴向进行焊接，可通过在8×8mm的凸台上进行轴向和周向两种方向的焊接试验进行确定。

试验结构如图5所示。试验结果显示，如采用轴向焊接，为保证焊接长度≥6mm，起收弧段的长度必须在20mm以上，否则将形成较深凹坑，如图5a所示；而周向焊接由于空气导管外筒体有整周加强筋，可以满足起收弧长度要求，如图5b所示。

根据试验结果，凸台的焊接方向选用周向焊接。

3.2 焊缝强度对比试验

由于凸台的焊接属于搭接结构，焊缝的强度主要取决于焊缝结合面的熔合面积，因此凸台的焊接试验主要围绕增加焊缝结合面熔合面积来进行。

在8×8mm的凸台上增加焊接面积，可以采取增加焊缝长度和宽度（焊缝数量）的方法来实现。分别采用6mm、8mm、8mm完全焊满以及1道焊缝，3道不同间距的并列焊缝进行组合焊接，形成了12种性能试样，对这些试样进行拉伸和弯曲试验，试验结果如表2所示。

结果表明， 8mm完全焊满的试样弯曲力最大，而3道间距为0.5mm的并列焊缝，不仅拉伸和弯曲力值大，且数据稳定。

采用同样的方法进行模拟试环的焊接，6种方法与试环上的6处凸台对应，试验结果见表3。

焊后的试环如图6所示。

3.3 飞溅粘连情况对比试验

根据焊缝脱开力试验对比，凸台周向完全焊满长度8mm比原结构焊接6mm强度明显增大，但焊满8mm在内筒体凸台两侧存在焊接飞溅物和击伤。为防止内外筒体之间飞溅物脱落对空气导管使用造成影响，经讨论在凸台两侧增加防飞溅工艺槽，具体结构见方案三，详见图7。

分别采用工艺槽宽度3mm、4mm、5mm的试板进行试验验证，焊接方法见表4。

试验结果表明，宽度为4mm和5mm的工艺槽基本可以保证将焊接飞溅物完全封闭在工艺槽内，而3mm宽的工艺槽两侧棱边上已经有焊瘤出现，因此工艺槽宽度选择为4mm。

4 结论

从试验结果对比看出，凸台结构改进行方案选择方案三焊接结构形式，采用3道间距为0.5mm的并列焊缝，在结合面上实现长度8mm完全焊满、宽度不小于2mm的焊缝，焊缝强度比原结构明显加强，且飞溅物能够控制在工艺槽内。

参考文献：

[1]王之康，高永华，徐宾.真空电子束焊接设备与工艺[M].北京：原子能工业出版社，1990.

作者简介：邹武（1988-），男，学士，助理工程师，主要从事航空发动机制造质量控制、故障分析、失效预防等方面的研究。