航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的線性摩擦焊

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的線性摩擦焊摘要：本文闡述了線性摩擦焊技術(shù)的原理、應(yīng)用和優(yōu)點(diǎn)，介紹了其發(fā)展的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，論述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中應(yīng)用線性摩擦焊技術(shù)將面臨的問題及解決措施。關(guān)鍵詞：線性摩擦焊技術(shù)；優(yōu)點(diǎn)；問題；解決措施1線性摩擦焊技術(shù)簡(jiǎn)介1.1原理線性摩擦焊是摩擦焊技術(shù)的一種，屬于壓力焊或固相焊接的范疇，焊接原理是兩焊件在軸向壓力作用下沿焊接面上某一方向以一定的振幅和頻率作直線往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生大量摩擦熱使焊接面軟化形成粘塑性金屬層，并不斷被擠出形成飛邊，當(dāng)接頭達(dá)到一定縮短量時(shí)兩焊件迅速對(duì)中并施加頂鍛壓力完成焊接。工件接觸面摩擦產(chǎn)熱，待焊金屬在壓力作用下，通過界面組織動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成鍛造焊縫。1.2應(yīng)用線性摩擦焊主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊接。1.3優(yōu)點(diǎn)線性摩擦焊技術(shù)具有摩擦焊接技術(shù)的優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能及環(huán)保等共同優(yōu)點(diǎn)。其與旋轉(zhuǎn)摩擦焊相比，能夠?qū)崿F(xiàn)非軸對(duì)稱復(fù)雜截面的固相連接，焊接范圍更廣；焊接界面整體加熱和受力均勻，實(shí)心零件焊接質(zhì)量更高。加工過程可節(jié)約大量貴金屬材料，生產(chǎn)效率高；可實(shí)現(xiàn)不同材料或同材料不同組織零件的焊接，得到雙合金/雙性能整體組件；可對(duì)損壞的單件進(jìn)行快速修理；避免了熔焊方法易出現(xiàn)的偏析、裂紋、氣孔等缺陷，接頭力學(xué)性能接近甚至超過母材等優(yōu)點(diǎn)。1.4工藝過程線性摩擦焊工藝過程分為壓緊、摩擦、頂鍛、保持四個(gè)階段。待焊件被軸向壓力對(duì)中壓緊；焊件作線性往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，焊接面摩擦產(chǎn)熱；摩擦熱使焊接面軟化形成粘塑性金屬層，塑性金屬不斷被擠出；達(dá)到一定縮短量時(shí)迅速對(duì)中并施加頂鍛壓力完成焊接。這四個(gè)階段依次發(fā)生，前一個(gè)階段的充分進(jìn)行是下個(gè)階段正常發(fā)生的前提和保證。1.5設(shè)備我國(guó)隨著基礎(chǔ)裝備制造業(yè)的發(fā)展有了長(zhǎng)足進(jìn)步，由原來只能生產(chǎn)軸向摩擦焊設(shè)備，到可生產(chǎn)軸向、徑向、線性、攪拌摩擦焊設(shè)備。生產(chǎn)單位發(fā)展到近20家，年產(chǎn)近500臺(tái)套。我國(guó)雖是摩擦焊設(shè)備制造大國(guó)，但不是制造強(qiáng)國(guó)，關(guān)鍵零部件仍依賴進(jìn)口，且存在產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，質(zhì)量良莠不齊的問題。國(guó)際主要設(shè)備制造商為美國(guó)MTI公司、法國(guó)ACB公司和英國(guó)KUKA公司。他們生產(chǎn)的設(shè)備精度高，且在工藝研究和工裝開發(fā)方面經(jīng)驗(yàn)比較豐富。線性摩擦焊機(jī)可分為三類：液壓式、機(jī)械式和電磁式。液壓式的原理是利用伺服閥為移動(dòng)夾具油缸兩側(cè)提供交變的液壓油，使夾具帶動(dòng)工件做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)軸向加壓頂力。機(jī)械式是利用旋轉(zhuǎn)式電機(jī)加上一套將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。電磁式是通過電磁鐵的吸合和釋放來實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，頻率可調(diào)范圍大，但推力有限，僅限于一些塑料件的焊接，且冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。2線性摩擦焊技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)的線性摩擦焊發(fā)展較晚，正處于研究階段。各大研究院所和高校正在開展TC4、TC17、TC11等多種材料基礎(chǔ)性研究以及部分零件的加工驗(yàn)證，還不具備工程化批量生產(chǎn)能力。1929年德國(guó)和1959年俄羅斯分別提出了線性摩擦焊概念，1969年英國(guó)一項(xiàng)專利描述了焊接低碳鋼的線性往復(fù)機(jī)構(gòu)。20世紀(jì)80年代，英國(guó)開始進(jìn)行系統(tǒng)研究，研制出線性摩擦焊原型機(jī)，可用于方形、圓形、多邊形等不規(guī)則截面金屬和塑料構(gòu)件的焊接。由MTU和RR等公司為整體葉盤的焊接制造與修復(fù)，最先開始推動(dòng)和發(fā)展了線性摩擦焊接新設(shè)備和新技術(shù)，于2000年開始逐步成功應(yīng)用于不同型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤制造?，F(xiàn)國(guó)外軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)已成熟應(yīng)用，尤其在英、美、德國(guó)，已廣泛應(yīng)用于風(fēng)扇整體葉盤的制造和修復(fù)。3航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中應(yīng)用線性摩擦焊技術(shù)存在的問題我國(guó)線性摩擦焊技術(shù)理論研究落后于西方國(guó)家，其工程化應(yīng)用更是存在諸多問題。尤其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，線性摩擦焊技術(shù)整體水平較低，與國(guó)際先進(jìn)水平存在很大差距。線性摩擦焊主要加工過程為：準(zhǔn)備零件-線性摩擦焊-焊接精度檢測(cè)-焊后熱處理-焊縫無損檢測(cè)-焊接部位加工-產(chǎn)品最終檢測(cè)，在各個(gè)過程中主要存在的問題如下：3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)不同焊接零件焊接結(jié)構(gòu)和焊縫位置的選擇沒有成熟經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，其數(shù)值模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證需要設(shè)計(jì)和工藝人員密切配合、協(xié)同研發(fā)。3.2加工過程難點(diǎn)焊接工裝的定位、焊接參數(shù)的選擇及焊接精度的控制是重點(diǎn)。熱輸入不足，界面氧化嚴(yán)重；熱輸入夠，但焊接時(shí)間過短，會(huì)導(dǎo)致焊接過程金屬塑性流動(dòng)不足，焊接界面的微孔沒有完全消失或擠出，結(jié)束后會(huì)在焊縫中心產(chǎn)生殘余空洞；剛性不足，摩擦過程中沿三維方向的顫動(dòng)程不僅破壞了焊接界面的封閉性，造成界面金屬的氧化，而且使氧化物擠出更加困難。熱處理工序的安排對(duì)于消除焊接殘余應(yīng)力、改善焊縫組織和性能起關(guān)鍵作用，也關(guān)乎零件的變形控制，所以需嚴(yán)格把關(guān)。焊接加工路線及參數(shù)選擇、加工工序變形控制、焊縫表面強(qiáng)化等后續(xù)工序的變形控制一影響著整體焊接水平。3.3檢驗(yàn)檢測(cè)難點(diǎn)焊縫的無損檢驗(yàn)、零件尺寸精度檢驗(yàn)、焊縫表面質(zhì)量檢查是檢驗(yàn)的重點(diǎn)，既要檢測(cè)準(zhǔn)確、又不能過度測(cè)量，檢查方法的選擇至關(guān)重要。3.4應(yīng)用基礎(chǔ)薄弱我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)應(yīng)用線性摩擦焊技術(shù)滯后，沒有先進(jìn)的軟硬件環(huán)境、沒有先進(jìn)的應(yīng)用理念、沒有信息資源平臺(tái)、設(shè)施不配套、人員培訓(xùn)不到位等問題突出。4航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中應(yīng)用線性摩擦焊技術(shù)的措施4.1資源共享在發(fā)動(dòng)機(jī)研制全過程中深度貫徹應(yīng)用線性摩擦焊技術(shù)，這一理念要深入人心。在零件的設(shè)計(jì)、制造、修補(bǔ)加工等各個(gè)領(lǐng)域，在研究院所和高校的實(shí)驗(yàn)室、借助院所的科研平臺(tái)和專家隊(duì)伍，組建聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)。4.2培養(yǎng)專業(yè)人才發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，聯(lián)合培養(yǎng)/逐步引進(jìn)骨干技術(shù)人員，根據(jù)專業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)焊接、材料、數(shù)值模擬仿真、檢驗(yàn)檢測(cè)、加工等各專業(yè)技術(shù)人才，組件專家團(tuán)隊(duì)，共同研制攻關(guān)，解決技術(shù)問題。4.3制定適宜標(biāo)準(zhǔn)只有制定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)自己的線性摩擦焊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中完善規(guī)范，才能推進(jìn)線性摩擦焊技術(shù)的全面有效應(yīng)用。4.4配備硬件設(shè)施應(yīng)用線性摩擦焊技術(shù)必須具備基本的軟硬件條件，如基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件配置等。設(shè)備方面不僅要使用常規(guī)焊接設(shè)備，還要引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備及其配套設(shè)施，才能使這一技術(shù)得到更好的應(yīng)用。5結(jié)束語我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)正處于三代向四代機(jī)過渡的重要階段，要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的制造水平，需引用大量先進(jìn)制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的焊接方法相比，線性摩擦焊不僅具有摩擦焊技術(shù)的高可靠性、綠色節(jié)能、接頭焊接缺陷少等優(yōu)點(diǎn)，且能克服傳統(tǒng)軸向摩擦焊對(duì)焊件形狀的限制，是解決整體葉盤設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)國(guó)外發(fā)展較快，國(guó)內(nèi)剛剛起步，面對(duì)此技術(shù)應(yīng)用過程中的加工難點(diǎn)、與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的巨大差距，我們只有立足現(xiàn)狀，正視問題與差距，開展大量的工藝開發(fā)和基礎(chǔ)理論研究工作，分析原因、采取針對(duì)性的措施，才能真正掌握線性摩擦焊技術(shù)，提高生產(chǎn)制造水