RU2513491C1 - Method of turbo machine integral wheel - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: method comprises prefabrication of blades and disc and welding of all blades to disc. Note here that gasket is arranged between the ends of said blades and disc ledges and made from material that features liquidus temperature $$T_{\text{l gasket}}^0\ge T_{\text{l part max}}^0+{100}^{\circ }C$$

, where $$T_{\text{l part max}}^0$$

is liquidus temperature of materials of both blades and disc and that produces solid solutions after welding. First, current is passed through welded blade and disc and, at a time, the disc is upset to said blade at force F_upset≤0.1σ_0.2maxS_face, where σ_0.2max is conditional yield point of blade and disc material, S_face is area of welded end faces. $$T_{face}^0=\mathrm{0,6}{T}_{\text{l part max}}^0$$

temperature reached, current is passed solely through said gasket to gasket material liquidus temperature. Thereafter, disc is finally upset. After welding, blades are subjected to appropriate machining.

EFFECT: simplified fabrication, reliable high-strength weld joint, minor welding influence on part structure.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области авиационной и энергетической промышленности и может быть использовано при изготовлении, а также и при ремонте моноколес турбомашин (роторов конструкции «блиск») методами стыковой сварки с оплавлением, при этом части моноколес могут быть сделаны как из одинакового, так и из разного материала.The invention relates to the field of aviation and energy industry and can be used in the manufacture, as well as in the repair of monowheels of turbomachines (blisk rotors) by flash butt welding methods, while parts of the monowheels can be made of the same or different material.

Известны способы изготовления моноколес турбомашин, заключающиеся в присоединении лопаток к диску посредством сварки плавлением, например, с использованием лазерного луча (US 2007017906, В23K 26/20, 2007) или электронного луча (RU 2395376, В23K 15/00, 2010). Недостатком данных способов является образование сварного шва, представляющего собой литую крупнозернистую структуру, которая имеет малую пластичность и, соответственно, низкие усталостно-прочностные характеристики, что снижает надежность и долговечность конструкции моноколеса в целом.Known methods for the manufacture of monowheels of turbomachines, which include connecting the blades to the disk by fusion welding, for example, using a laser beam (US 2007017906, B23K 26/20, 2007) or an electron beam (RU 2395376, B23K 15/00, 2010). The disadvantage of these methods is the formation of a weld, which is a cast coarse-grained structure, which has low ductility and, accordingly, low fatigue-strength characteristics, which reduces the reliability and durability of the design of the unicycle as a whole.

Известен способ производства (или ремонта) моноколес турбомашин линейной сваркой трением, при котором предварительно изготовленные детали (свариваемые лопатки и диск) вводят в контакт между собой с необходимым прижимом и осуществляют их взаимное перемещение для получения нагрева между свариваемыми поверхностями, а после необходимого разогрева - сдавливание (осадку) деталей с требуемым усилием (RU 2456143, В23K 20/12, 2012). Недостатком данного способа является достаточно сложный процесс соединения лопаток с диском, требующий для получения надежного соединения, например, лопаток из монокристаллического материала и диска из поликристаллического материала, определенной пространственной ориентации кристаллических решеток относительно направления приложения усилия сжатия деталей после их разогрева.A known method of production (or repair) of monowheels of turbomachines by linear friction welding, in which prefabricated parts (weldable blades and disc) are brought into contact with each other with the necessary clamp and carry out their mutual movement to obtain heating between the surfaces to be welded, and after necessary heating, squeezing (settlement) of parts with the required effort (RU 2456143, B23K 20/12, 2012). The disadvantage of this method is the rather complex process of connecting the blades to the disk, which requires a reliable connection, for example, blades of single-crystal material and a disk of polycrystalline material, a certain spatial orientation of the crystal lattices relative to the direction of application of the compressive force of the parts after heating them.

Известен также способ изготовления неразъемного рабочего колеса турбины, принятый за прототип и заключающийся в предварительном изготовлении заготовки диска с выступами для присоединения лопаток, соответствующими форме и расположению лопаток, и заготовок лопаток, а затем - последовательном приваривании лопаток к диску путем локального нагрева места сварки в вакууме до температуры течения металла и соответствующем сдавливанием деталей. После осуществления процесса сварки производят необходимую механическую обработку по удалению грата и локальную термообработку той части лопаток, которая подвергалась воздействию процесса сварки, для обеспечения необходимых механических свойств (SU 1819202, В23K 20/00, 1993). Недостатком прототипа является необходимость выполнения сварки в вакуумной камере с обязательной предварительной специальной обработкой свариваемых поверхностей (шлифование, полирование, химическое травление и т.д.), что усложняет процесс получения качественной и долговечной конструкции рабочего колеса.There is also known a method of manufacturing an integral turbine impeller, adopted as a prototype and consisting in the preliminary manufacture of a disk blank with protrusions for connecting the blades corresponding to the shape and location of the blades, and the blade blanks, and then sequentially welding the blades to the disk by local heating of the welding site in vacuum to the temperature of the metal flow and the corresponding compression of the parts. After the welding process is carried out, the necessary mechanical processing is performed to remove the burr and local heat treatment of the part of the blades that was exposed to the welding process to ensure the necessary mechanical properties (SU 1819202, B23K 20/00, 1993). The disadvantage of the prototype is the need to perform welding in a vacuum chamber with mandatory preliminary special processing of the surfaces to be welded (grinding, polishing, chemical etching, etc.), which complicates the process of obtaining a high-quality and durable impeller design.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности получения надежного соединения лопаток с диском с получением высоких прочностных характеристик сварной конструкции моноколеса и минимизация при этом влияния сварочного процесса на структуру материала свариваемых деталей, которые могут быть сделаны как из одинакового, так и из различных материалов, при упрощении процесса изготовления моноколеса.The objective of the invention is to provide reliable connections between the blades and the disk to obtain high strength characteristics of the welded construction of the monowheel and minimize the influence of the welding process on the structure of the material of the parts to be welded, which can be made from the same or from different materials, while simplifying the process making a monowheel.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе изготовления моноколеса турбомашины, включающем предварительное изготовление лопаток с технологическими буртиками со стороны привариваемого торца и диска моноколеса с выступами для присоединения лопаток, соответствующими форме и расположению лопаток, последовательную приварку всех лопаток к диску путем нагрева свариваемых торцов лопатки и выступа диска до заданной температуры посредством пропускания электрического тока и их осадки с образованием грата, который вместе с технологическими буртиками удаляется механической обработкой, лопатки и диск выполняют из одного или разных материалов, приварку лопаток к диску осуществляют в среде защитного газа, при этом перед сваркой между свариваемыми торцами лопаток и выступов диска размещают прокладку, выполненную из материала с температурой ликвидуса $$T_{л\text{ прокл}\text{.}}^0\ge T_{л\text{ дет max}}^0+{100}^{\circ }C$$

Т°, где $$T_{л\text{ дет max}}^0$$

- температура ликвидуса материала свариваемых лопаток и диска или максимальная из двух температур ликвидуса, если их материал разный, и который с материалами лопаток и диска после сварки образует твердые растворы, при этом ту часть прокладки, которая не находится в контакте со свариваемыми торцами, выполняют с площадью поперечного сечения большей, чем площадь поперечного сечения той части прокладки, которая находится в контакте со свариваемыми торцами, а нагрев и осадку осуществляют в несколько этапов: сначала пропускают ток через свариваемые лопатку и диск и одновременно производят осадку с усилием F_ocaд≤0,1σ_0,2maxS_торц, гдеThe solution to this problem is achieved by the fact that in the method of manufacturing a turbomachine monowheel, including the preliminary manufacture of blades with technological shoulders on the side of the welded end and the monowheel disk with protrusions for connecting the blades, corresponding to the shape and location of the blades, sequential welding of all blades to the disk by heating the welded ends of the blades and the protrusion of the disk to a predetermined temperature by passing an electric current and their precipitation with the formation of a burr, which together with is removed by machining by logical beads, the blades and the disk are made from one or different materials, the welding of the blades to the disk is carried out in a shielding gas medium, and before welding, a gasket made of a material with a liquidus temperature is placed between the welded ends of the blades and projections of the disk $$T_{l\text{damn}\text{.}}^0\ge T_{l\text{children max}}^0+{\mathrm{one\; hundred}}^{\circ }C$$

T °, where $$T_{l\text{children max}}^0$$

- the liquidus temperature of the material of the blades and the disk being welded, or the maximum of the two liquidus temperatures, if their material is different, and which forms solid solutions with the materials of the blades and the disk after welding, while the part of the gasket that is not in contact with the ends to be welded is performed with a cross-sectional area greater than the cross-sectional area of that part of the gasket that is in contact with the ends to be welded, and heating and sediment are carried out in several stages: first, the current is passed through the welds aemye blade and disk and simultaneously produce a pellet with a force F _ocad ≤0,1σ _0,2max S _facer where

σ_0,2max - условный предел текучести материала лопатки и диска (или максимальный из двух, если материал лопатки и диска разный),σ _0,2max - conditional yield strength of the material of the blade and disk (or the maximum of the two, if the material of the blade and disk is different),

S_торц - площадь свариваемых торцов,S _end - the area of the welded ends,

при достижении температуры свариваемых торцов $$T_{торц}^0=\mathrm{0,6}{T}_{л\text{ дет max}}^0$$

прекращают пропускание тока через лопатку и диск и осуществляют пропускание тока через прокладку до достижения температуры той части прокладки, которая находится в контакте со свариваемыми торцами, температуры ликвидуса материала прокладки, после чего производят окончательную осадку.when the temperature of the welded ends is reached $$T_{t\mathrm{about}Rc}^0=0.6T_{l\text{children max}}^0$$

the current is passed through the blade and the disk and the current is passed through the gasket until the temperature of that part of the gasket that is in contact with the welded ends is reached, the liquidus temperature of the gasket material, and then the final settlement is made.

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 показана схема осуществления приварки лопаток к диску;figure 1 shows a diagram of the implementation of the welding of the blades to the disk;

на фиг.2 показана прокладка, размещаемая между свариваемыми лопатками и диском.figure 2 shows the gasket placed between the welded blades and the disk.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Предварительно изготавливают лопатки 1 с технологическими буртиками 2 со стороны привариваемого торца и диск 3 моноколеса с выступами 4 для присоединения лопаток 1, соответствующими форме и расположению лопаток. Лопатки 1 и диск 3 могут быть выполнены как из одного, так и из разных материалов. Привариваемую лопатку 1 помещают в специальный позиционный кондуктор 5 (показан условно), с помощью которого осуществляют заданное позиционирование лопатки относительно диска 3. При этом диск 3 размещен в специальном поворотном устройстве 6 (показано условно), которое имеет возможность вертикального перемещения посредством штанги 7, связанной с соответствующим приводом 8, например гидроцилиндром. Под технологические буртики 2 устанавливается опора 9, а между свариваемыми торцами лопатки 1 и выступа 4 диска, которые соответствующим образом совмещены между собой, вставляется прокладка 10, выполненная из материала с температурой ликвидуса $$T_{л\text{ прокл}\text{.}}^0\ge T_{л\text{ дет max}}^0+{100}^{\circ }C$$

, где $$T_{л\text{ дет max}}^0$$

- температура ликвидуса материала свариваемых лопаток и диска, если их материал одинаков, или максимальная из двух температур ликвидуса, если их материал разный. Кроме того, материал прокладки 10 выбирается такой, что с материалами лопаток 1 и диска 3 после сварки он образует твердые растворы. Это необходимо для получения качественного сварного соединения на случай, если материал расплавленной прокладки после окончательной осадки частично остается между свариваемыми деталями и смешивается с их материалом. По форме прокладку 10 выполняют так, что та ее часть, которая не находится в контакте со свариваемыми торцами, имеет площадь поперечного сечения больше, чем площадь поперечного сечения той части прокладки, которая находится в контакте со свариваемыми торцами. Это необходимо для сосредоточения нагрева прокладки при пропускании через нее электрического тока в зоне свариваемых торцов, поскольку нагрев проводника обратно пропорционален площади его поперечного сечения. На лопатке 1, диске 3 и прокладке 10 размещают соответствующие токоподводы 11, 12, 13 и 14.Pre-made blades 1 with technological shoulders 2 from the side of the welded end and the disk 3 monowheels with protrusions 4 for connecting the blades 1, corresponding to the shape and location of the blades. The blades 1 and the disk 3 can be made from one or from different materials. The welded blade 1 is placed in a special positional jig 5 (shown conditionally), with which the specified positioning of the blade relative to the disk 3 is carried out. In this case, the disk 3 is placed in a special rotary device 6 (shown conventionally), which has the possibility of vertical movement by means of a rod 7 connected with a corresponding drive 8, for example a hydraulic cylinder. Under the technological shoulders 2, a support 9 is installed, and between the welded ends of the blade 1 and the protrusion 4 of the disk, which are suitably aligned with each other, a gasket 10 is made of material with a liquidus temperature $$T_{l\text{damn}\text{.}}^0\ge T_{l\text{children max}}^0+{\mathrm{one\; hundred}}^{\circ }C$$

where $$T_{l\text{children max}}^0$$

- the liquidus temperature of the material of the welded blades and the disk, if their material is the same, or the maximum of the two liquidus temperatures, if their material is different. In addition, the material of the gasket 10 is selected such that with the materials of the blades 1 and the disk 3 after welding, it forms solid solutions. This is necessary to obtain a high-quality welded joint in case the material of the molten gasket, after the final settlement, partially remains between the parts to be welded and mixes with their material. The gasket 10 is shaped in such a way that its part that is not in contact with the welded ends has a cross-sectional area greater than the cross-sectional area of that part of the gasket that is in contact with the welded ends. This is necessary to concentrate the heating of the strip while passing an electric current through it in the area of the welded ends, since the heating of the conductor is inversely proportional to its cross-sectional area. The corresponding current leads 11, 12, 13 and 14 are placed on the blade 1, disk 3 and gasket 10.

Производят осадку диска 3 с усилием F_ocaд≤0,1σ_0,2maxS_торц,Disc 3 is sedimented with a force F _ocad ≤0.1σ _0.2max S _butt ,

где σ_0,2max - условный предел текучести материала лопатки и диска (или максимальный из двух, если материал лопатки и диска разный),where σ _0,2max is the conditional yield strength of the material of the blade and disk (or the maximum of the two if the material of the blade and disk is different),

S_торц - площадь свариваемых торцов,S _end - the area of the welded ends,

путем вертикального перемещения штанги 7 приводом 8 и одновременное пропускание электрического тока между токоподводами 11 и 12 через лопатку 1 и диск 3, что необходимо для более быстрого прогрева свариваемых торцов ввиду достаточно больших размеров свариваемых деталей и значительного теплоотвода через них. Процесс сварки ведут в среде защитного газа, например аргона. При достижении температуры свариваемых торцов $$T_{торц}^0=\mathrm{0,6}{T}_{л\text{ дет max}}^0$$

прекращают пропускание тока по цепи «токоподвод 11 - лопатка 1 - диск 3 - токоподвод 12» и дальнейший нагрев свариваемых торцов осуществляют пропусканием тока через прокладку 10 по токоподводам 13 и 14. Это позволяет уменьшить влияние сварочного нагрева на изменение структуры свариваемых деталей. При достижении температуры той части прокладки 10, которая находится в контакте со свариваемыми торцами, температуры ликвидуса материала прокладки, производят окончательную осадку диска 3 штангой 7 и приводом 8. При этом может производиться контроль заданного расстояния « L» от оси диска 3 до внешнего торца лопатки 1. После окончательной осадки диска 3 расплавленный материал прокладки 10 и часть расплавленного материала лопатки 1 и диска 3 уходят в грат. Процесс приварки одной лопатки завершен, с нее снимается позиционный кондуктор 5, убираются все токоподводы 11-14 и опора 9. Диск 3 поднимается до исходной высоты и поворачивается на заданный угол с помощью поворотного устройства 6. Следующая лопатка размещается в позиционном кондукторе 5 и цикл приварки повторяется. После окончания приварки всех лопаток 1 к диску 3 с лопаток удаляют грат и технологические буртики 2 соответствующей механической обработкой. Контроль за температурой нагрева поверхностей свариваемых деталей может осуществляться бесконтактными способами с помощью, например, тепловизоров.by vertical movement of the rod 7 by the drive 8 and the simultaneous transmission of electric current between the current leads 11 and 12 through the blade 1 and disk 3, which is necessary for faster heating of the welded ends due to the sufficiently large sizes of the welded parts and significant heat removal through them. The welding process is carried out in a shielding gas, such as argon. Upon reaching the temperature of the welded ends $$T_{t\mathrm{about}Rc}^0=0.6T_{l\text{children max}}^0$$

stop the current flow through the circuit "current lead 11 - blade 1 - disk 3 - current lead 12" and further heating of the welded ends is carried out by passing current through the gasket 10 along the current leads 13 and 14. This allows you to reduce the effect of welding heating on the change in the structure of the welded parts. Upon reaching the temperature of that part of the gasket 10, which is in contact with the welded ends, the liquidus temperature of the gasket material, the final settlement of the disk 3 is made by the rod 7 and the drive 8. In this case, a predetermined distance “L” from the axis of the disk 3 to the outer end of the blade can be controlled 1. After the final precipitation of the disk 3, the molten material of the strip 10 and part of the molten material of the blade 1 and the disk 3 go to gratings. The welding process of one blade is completed, the positional conductor 5 is removed from it, all current leads 11-14 and the support 9 are removed. The disk 3 is raised to its original height and rotated by a predetermined angle using the rotary device 6. The next blade is placed in the positioning conductor 5 and the welding cycle repeated. After welding of all the blades 1 to the disk 3 is completed, the burrs and technological beads 2 are removed from the blades by appropriate machining. Monitoring the temperature of the heating surfaces of the parts to be welded can be carried out by non-contact methods using, for example, thermal imagers.

Предлагаемый способ позволяет упростить процесс изготовления моноколес стыковой сваркой оплавлением и получить надежное сварное соединение с высокими прочностными характеристиками и минимизацией при этом влияния процесса сварки на структуру материала деталей моноколеса.The proposed method allows to simplify the manufacturing process of monowheels by flash butt welding and to obtain a reliable welded joint with high strength characteristics and minimizing the influence of the welding process on the structure of the material of monowheel parts.

Claims (1)

Способ изготовления моноколеса турбомашины, включающий предварительное изготовление лопаток с технологическими буртиками со стороны привариваемого торца и диска моноколеса с выступами для присоединения лопаток, соответствующими форме и расположению лопаток, последовательную приварку всех лопаток к диску путем нагрева свариваемых торцов лопатки и выступа диска до заданной температуры посредством пропускания электрического тока и их осадки с образованием грата, который вместе с технологическими буртиками удаляют механической обработкой, отличающийся тем, что лопатки и диск выполняют из одного или разных материалов, приварку лопаток к диску осуществляют в среде защитного газа, при этом перед сваркой между свариваемыми торцами лопаток и выступов диска размещают прокладку, выполненную из материала с температурой ликвидуса

, где

- температура ликвидуса материала свариваемых лопаток и диска или с температурой ликвидуса

, где

- максимальная из двух температур ликвидуса, если их материал разный и который с материалами лопаток и диска после сварки образует твердые растворы, при этом ту часть прокладки, которая не находится в контакте со свариваемыми торцами, выполняют с площадью поперечного сечения большей, чем площадь поперечного сечения той части прокладки, которая находится в контакте со свариваемыми торцами, а нагрев и осадку осуществляют в несколько этапов, сначала пропускают ток через свариваемые лопатку и диск и одновременно производят осадку с усилием F_ocaд≤0,1σ_0,2S_торц, где σ_0,2 - условный предел текучести материала лопатки и диска или с усилием F_ocaд≤0,1σ_0,2maxS_торц, где σ_0,2max - условный предел текучести материала лопатки и диска, максимальный из двух, если материал лопатки и диска разный, S_торц - площадь свариваемых торцов, при достижении заданной температуры свариваемых торцов прекращают пропускание тока через лопатку и диск и осуществляют пропускание тока через прокладку до достижения температуры той части прокладки, которая находится в контакте со свариваемыми торцами, температуры ликвидуса материала прокладки, после чего производят окончательную осадку. A method of manufacturing a turbomachine monowheel, including the preliminary manufacture of blades with technological shoulders from the side of the welded end and the monowheel disk with projections for connecting the blades corresponding to the shape and location of the blades, sequential welding of all blades to the disk by heating the welded ends of the blades and the protrusion of the disk to a predetermined temperature by passing electric current and their precipitation with the formation of grata, which together with the technological beads remove mechanical characterized by the fact that the blades and the disk are made of one or different materials, the welding of the blades to the disk is carried out in a shielding gas medium, and before welding, a gasket made of a material with a liquidus temperature is placed between the welded ends of the blades and the protrusions of the disk

where

- the liquidus temperature of the material of the welded blades and disc or with the liquidus temperature

where

- the maximum of the two liquidus temperatures, if their material is different and which forms solid solutions with the materials of the blades and the disk after welding, while the part of the gasket that is not in contact with the welded ends is made with a cross-sectional area greater than the cross-sectional area that part of the gasket that is in contact with the welded ends, and heating and sediment are carried out in several stages, first pass current through the welded blade and disk and at the same time produce a draft with a force F _{a span} ≤0.1σ _0.2 S _butt , where σ _0.2 is the conditional yield stress of the material of the blade and the disk or with a force F a _span ≤0.1σ _0.2max S _end , where σ _0.2max is the conditional yield strength of the material of the blade and the disk, the maximum of the two, if the material of the blade and the disk is different, S _end - the area of the welded ends, when the specified temperature of the welded ends is reached, the current flow through the blade and disk is stopped and the current is passed through the gasket until the temperature of that part of the gasket located in contact with weld ends, face temperature idusa gasket material, whereupon the final pellet.

Images