CN112621103A - 航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法 - Google Patents

航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法，包括钛合金压气机叶片的焊前清洗、待焊接部位加工打磨、焊前无损检测、微束等离子弧焊接、焊后热处理、焊后电解加工及无损检测。本发明可用于发动机压气机叶片的焊接修复，填补国内发动机关键部件焊接修复的技术空白，降低关键部件的维修成本并缩短维修周期。

Description

航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法。
背景技术
压气机叶片作为航空发动机的关键构件之一，处于发动机的进气端。在服役过程中，叶片因外来物冲击、气流冲刷、摩擦磨损等原因造成叶型尺寸缺失。对损伤的压气机叶片进行焊接修复并加工以恢复叶片外形尺寸，可以减少新叶片的更换数量，缩短维修周期，降低发动机全寿命使用成本。
由于压气机叶片服役后表面残留密封圈、密封垫、润滑剂等，且表面存在氧化膜，如果不做彻底清理会影响焊接质量。由于发动机叶片服役过程中承受巨大的交变应力，对修复后的叶片表面完整性提出了很高的要求，采用传统的机加工后进行表面振动光饰和喷丸强化的方法工序较多，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法，该方法采用低热输入的微束等离子弧焊接工艺，通过多轴联动机器人带动焊枪实现三维空间的复杂运动轨迹；可实现压气机叶片的精准成形修复，焊接修补区无裂纹、夹杂，焊缝成形饱满，并留有一定的加工余量。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法，其特征在于：所述修复方法包括如下步骤：
步骤1：对钛合金压气机叶片进行焊前清洗；
步骤2：对钛合金压气机叶片待焊接部位加工；
步骤3：对钛合金压气机叶片进行无损检测；
步骤4：对钛合金压气机叶片进行微束等离子弧焊接；
步骤5：对钛合金压气机叶片进行焊后热处理；
步骤6：对钛合金压气机叶片焊接区进行电解加工；
步骤7：对钛合金压气机焊接修复叶片进行无损检测。
而且，所述步骤1中焊前清洗的具体操作为：采用丙酮有机溶剂对叶片进行初步清洗，将叶片上残留的密封圈、密封垫、润滑剂进行彻底清洗；对于叶片表面的氧化膜，通过酸洗进行清洗，酸洗温度30-60℃，酸洗时间1～10min，酸洗腐蚀量为0.02mm，酸洗所用酸洗液的配方为：
硝酸 10-20％
氢氟酸 50-60％
蒸馏水 20-40％。
而且，所述步骤2的压气机叶片，对损伤部位采用水刀切割后，将切割面由粗到细进行打磨直至粗糙度优于Ra0.1～0.05。
而且，所述步骤3的压气机叶片，按照荧光液体渗透检查标准对叶片进行裂纹检查。
而且，所述步骤4的压气机叶片，采用柔性夹持机构夹持，要求损伤叶片待焊接表面高于夹头0.5～3.0mm；依据叶片型面缺失尺寸及每道焊缝堆焊高度，确定堆焊修复的焊道数量；设定焊接轨迹为待焊接表面的中心线，起弧位置为叶片待焊接表面前缘前方0.5～3.0mm，收弧位置为叶片待焊接表面后缘后方0.5～3.0mm，起/收弧位置高度为叶片待焊接表面上方2.0-5.0mm；焊接采用高纯氩气构建三重保护气氛，熔池保护气流量为20-40SCFH，出口位于熔池正上方，垂直向下吹向熔池，焊缝正面保护气流量为100～200SCFH，出口位于焊缝正上方，垂直向下吹向焊缝，焊缝背部保护气流量为3～10SCFH，出口位于叶片夹持工装上，侧向吹向焊缝根部；焊接过程如下：
(1)焊枪移动到起弧位置，开启熔池保护气、焊缝正面保护气、焊缝背部保护气，停留20-50秒，将焊接区域空气排除干净，避免空气中的氧、氮、氢元素进入熔池，恶化焊接接头性能；
(2)在起弧位置起弧后停留1～10s，待等离子弧稳定后，焊接电流维持在较低功率，焊枪在机械手引导下移动到叶片待焊接表面前缘正上方2.0-5.0mm，以较低功率、较大送丝量进行堆焊，使叶片堆焊区前缘饱满，留有足够的加工余量；
(3)焊枪以适应焊缝宽度的焊接热输入量和送丝速度继续堆焊；
(4)在距离叶片后缘2-10mm位置开始降低焊接电流，并提高送丝速率，焊枪在机械手引导下向叶片收弧位置移动，避免后缘塌陷；
(5)在收弧位置关闭等离子弧，同时焊丝回抽脱离熔池，待堆焊区域温度冷却至低于200℃后关闭保护气，完成第一道焊缝堆焊；
(6)重复上述焊接过程直至达到设计的焊道数量。
而且，所述步骤5的压气机叶片，在真空或氩气气氛环境下进行去应力热处理，热处理温度不高于钛合金的相变温度。
而且，所述步骤6的压气机叶片，通过电解加工将堆焊区多余的钛合金去除，电解加工的阴极采用分散孔出水方式，电解液采用NaCl作为电解液的基础，并加入络合剂；电解电压20V，电流密度55～65A/cm2，加工间隙0.2～1.8cm，加工速度0.15～0.20mm/s。
而且，所述步骤7的压气机叶片，采用外观目视检测、X透射检测和荧光渗透检测，同时对叶片相关尺寸进行检测，确认损伤修复区域完整、清洁，无咬边、孔洞缺陷，修复区域前后缘外形饱满，未出现塌陷，外观颜色为银白色或浅金黄色。
本发明的优点和有益效果为：
本发明航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法，采用多轴联动机器人带动焊枪实现三维空间的复杂运动轨迹，通过综合前后缘焊接工艺和钛合金板焊接优化工艺参数，分段设定各段叶片上缘焊接工艺参数，并根据自动焊接***规划拟合轨迹，可焊出焊缝外形饱满，前后缘无塌陷的压气机叶片，保证了叶片修复质量和精确性。
附图说明
图1为本发明航空发动机压气机损伤叶片的结构示意图；
图2为本发明酸洗后的钛合金效果图；(a)为正面清洗效果图，(b)为侧面清洗效果；
图3为本发明航空发动机压气机钛合金叶片切割加工示意图；
图4为本发明航空发动机压气机钛合金叶片焊接轨迹规划示意图；
图5为本发明堆焊后的压气机叶片结构示意图；
图6为电解加工后的压气机叶片结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法，其创新之处在于：所述修复方法包括如下步骤：
步骤1、叶片焊前清洗：对于如图1所示的出现损伤的压气机叶片，首先采用丙酮等有机溶剂对叶片进行初步清洗，将叶片上残留的密封圈、密封垫、润滑剂等进行彻底清洗；对于叶片表面的氧化膜，通过酸洗进行清洗，酸洗液配方如下：硝酸(10-20％)、氢氟酸(50-60％)及蒸馏水(余量)，酸洗温度30-60℃，酸洗时间1-10分钟，采用该工艺清洗的钛合金表面无氧化膜残留，酸洗腐蚀量为0.02mm；清洗后的钛合金试样如图2所示。
步骤2、待焊接部位加工：如图3所示，对损伤部位采用水刀切割后，将切割面由粗到细进行打磨直至粗糙度优于Ra0.1～0.05。
步骤3、焊前无损检测：按照荧光液体渗透检查标准对叶片进行裂纹检查，如果发现未加工清除的裂纹，从步骤1重复。
步骤4、微束等离子弧焊接：采用柔性夹持机构夹持，要求损伤叶片待焊接表面高于夹头0.5～3.0mm；依据叶片型面缺失尺寸及每道焊缝堆焊高度，确定堆焊修复的焊道数量；如图4所示，采用视觉***通过灰度变化提取叶片待焊接表面轮廓，设定焊接轨迹为待焊接表面的中心线，设定起弧位置为叶片待焊接表面前缘前方0.5～3.0mm，收弧位置为叶片待焊接表面后缘后方0.5～3.0mm，起/收弧位置高度为叶片待焊接表面上方2.0-5.0mm；焊接过程采用高纯氩气构建三重保护气氛，其中熔池保护气(流量为20-40SCFH)出口位于熔池正上方，垂直向下吹向熔池，焊缝正面保护气(100～200SCFH)出口位于焊缝正上方，垂直向下吹向焊缝，焊缝背部保护气(3～10SCFH)出口位于叶片夹持工装上，侧向吹向焊缝根部；焊接过程如下：
(1)焊枪移动到起弧位置，开启熔池保护气、焊缝正面保护气、焊缝背部保护气，停留20-50秒，将焊接区域空气排除干净，避免空气中的氧、氮、氢等元素进入熔池，恶化焊接接头性能；
(2)在起弧位置起弧后停留1～10s，待等离子弧稳定后，焊接电流维持在较低功率，焊枪在机械手引导下移动到叶片待焊接表面前缘正上方2.0-5.0mm，以较低功率、较大送丝量进行堆焊，使叶片堆焊区前缘饱满，留有足够的加工余量；
(3)焊枪以适应焊缝宽度的焊接热输入量和送丝速度继续堆焊；
(4)在距离叶片后缘2-10mm位置开始降低焊接电流，并提高送丝速率，焊枪在机械手引导下向叶片收弧位置移动，避免后缘塌陷；
(5)在收弧位置关闭等离子弧，同时焊丝回抽脱离熔池，待堆焊区域温度冷却至低于200℃后关闭保护气，完成第一道焊缝堆焊。如果焊道数量大于1道，可重复焊接过程直至达到设计的焊道数量为止，堆焊完成后的压气机叶片如图5所示。
步骤5、焊后热处理：在真空或氩气气氛环境下进行去应力热处理，热处理温度不高于钛合金的相变温度。
步骤6、焊后电解加工：通过电解加工将堆焊区多余的钛合金去除，电解加工的阴极采用分散空出水方案，电解液采用NaCl作为电解液的基础，并加入络合剂；电解电压20V，电流密度55～65A/cm2，加工间隙0.2～1.8cm，加工速度0.15～0.20mm/s。电解加工后的压气机叶片如图6所示。
步骤7、焊后无损检测：采用外观目视检测，X透射检测和荧光渗透检测，同时对叶片相关尺寸进行检测，确认损伤修复区域完整、清洁，无咬边、孔洞等缺陷，修复区域前后缘外形饱满，未出现塌陷，外观颜色为银白色或浅金黄色。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (8)

1.一种航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法，其特征在于：所述修复方法包括如下步骤：
步骤1：对钛合金压气机叶片进行焊前清洗；
步骤2：对钛合金压气机叶片待焊接部位加工；
步骤3：对钛合金压气机叶片进行无损检测；
步骤4：对钛合金压气机叶片进行微束等离子弧焊接；
步骤5：对钛合金压气机叶片进行焊后热处理；
步骤6：对钛合金压气机叶片焊接区进行电解加工；
步骤7：对钛合金压气机焊接修复叶片进行无损检测。
2.根据权利要求1所述的航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法，其特征在于，所述步骤1中焊前清洗的具体操作为：采用丙酮有机溶剂对叶片进行初步清洗，将叶片上残留的密封圈、密封垫、润滑剂进行彻底清洗；对于叶片表面的氧化膜，通过酸洗进行清洗，酸洗温度30-60℃，酸洗时间1～10min，酸洗腐蚀量为0.02mm，酸洗所用酸洗液的配方为：
硝酸 10-20％
氢氟酸 50-60％
蒸馏水 20-40％。
3.根据权利要求1所述的航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法，其特征在于，所述步骤2的压气机叶片，对损伤部位采用水刀切割后，将切割面由粗到细进行打磨直至粗糙度优于Ra0.1～0.05。
4.根据权利要求1所述的航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法，其特征在于，所述步骤3的压气机叶片，按照荧光液体渗透检查标准对叶片进行裂纹检查。
5.根据权利要求1所述的航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法，其特征在于：所述步骤4的压气机叶片，采用柔性夹持机构夹持，要求损伤叶片待焊接表面高于夹头0.5～3.0mm；依据叶片型面缺失尺寸及每道焊缝堆焊高度，确定堆焊修复的焊道数量；设定焊接轨迹为待焊接表面的中心线，起弧位置为叶片待焊接表面前缘前方0.5～3.0mm，收弧位置为叶片待焊接表面后缘后方0.5～3.0mm，起/收弧位置高度为叶片待焊接表面上方2.0-5.0mm；焊接采用高纯氩气构建三重保护气氛，熔池保护气流量为20-40SCFH，出口位于熔池正上方，垂直向下吹向熔池，焊缝正面保护气流量为100～200SCFH，出口位于焊缝正上方，垂直向下吹向焊缝，焊缝背部保护气流量为3～10SCFH，出口位于叶片夹持工装上，侧向吹向焊缝根部；焊接过程如下：
(1)焊枪移动到起弧位置，开启熔池保护气、焊缝正面保护气、焊缝背部保护气，停留20-50秒，将焊接区域空气排除干净，避免空气中的氧、氮、氢元素进入熔池，恶化焊接接头性能；
(2)在起弧位置起弧后停留1～10s，待等离子弧稳定后，焊接电流维持在较低功率，焊枪在机械手引导下移动到叶片待焊接表面前缘正上方2.0-5.0mm，以较低功率、较大送丝量进行堆焊，使叶片堆焊区前缘饱满，留有足够的加工余量；
(3)焊枪以适应焊缝宽度的焊接热输入量和送丝速度继续堆焊；
(4)在距离叶片后缘2-10mm位置开始降低焊接电流，并提高送丝速率，焊枪在机械手引导下向叶片收弧位置移动，避免后缘塌陷；
(5)在收弧位置关闭等离子弧，同时焊丝回抽脱离熔池，待堆焊区域温度冷却至低于200℃后关闭保护气，完成第一道焊缝堆焊；
(6)重复上述焊接过程直至达到设计的焊道数量。
6.根据权利要求1所述的航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法，其特征在于：所述步骤5的压气机叶片，在真空或氩气气氛环境下进行去应力热处理，热处理温度不高于钛合金的相变温度。
7.根据权利要求1所述的航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法，其特征在于：所述步骤6的压气机叶片，通过电解加工将堆焊区多余的钛合金去除，电解加工的阴极采用分散孔出水方式，电解液采用NaCl作为电解液的基础，并加入络合剂；电解电压20V，电流密度55～65A/cm2，加工间隙0.2～1.8cm，加工速度0.15～0.20mm/s。
8.根据权利要求1所述的航空发动机压气机钛合金叶片的修复方法，其特征在于：所述步骤7的压气机叶片，采用外观目视检测、X透射检测和荧光渗透检测，同时对叶片相关尺寸进行检测，确认损伤修复区域完整、清洁，无咬边、孔洞缺陷，修复区域前后缘外形饱满，未出现塌陷，外观颜色为银白色或浅金黄色。
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