航空發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒矩形點(diǎn)焊換段修理技術(shù)研究

梁　鍵，趙　海，許勇剛

（中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，西安710021）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒矩形點(diǎn)焊換段修理技術(shù)研究

梁鍵，趙海，許勇剛

（中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，西安710021）

針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒大修時(shí)出現(xiàn)的裂紋、燒傷及侵蝕問(wèn)題，開(kāi)展了火焰筒第4～6段換段修理工藝試驗(yàn)。通過(guò)分析火焰筒的結(jié)構(gòu)，確定了用新段替換相應(yīng)的故障段的方法對(duì)火焰筒進(jìn)行修復(fù)。在拆分故障段時(shí)，盡量減小保留段壁厚的局部減薄量；在重新裝配時(shí)，避免在原電阻焊點(diǎn)處再次焊接；通過(guò)采取以上工藝措施，實(shí)現(xiàn)了火焰筒的換段修理。同時(shí)進(jìn)行了電阻焊焊接拉伸試驗(yàn)、撕破檢查、金相組織檢查等工藝驗(yàn)證試驗(yàn)。換段修理的火焰筒通過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)試車考核驗(yàn)證。換段工藝方法也可作為批生產(chǎn)過(guò)程中部分段制造有缺陷時(shí)的補(bǔ)救方案。

火焰筒；修理；矩形點(diǎn)焊；換段；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0　引言

火焰筒是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的重要組成部件［1-4］。由于發(fā)動(dòng)機(jī)反復(fù)起動(dòng)、停車，使得火焰筒承受大小、方向隨時(shí)間變化的循環(huán)交變載荷，這是引起火焰筒產(chǎn)生裂紋、掉塊故障的主要原因［5］?；鹧嫱矒Q段修復(fù)技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)使用1個(gè)壽命期后修復(fù)火焰筒裂紋的有效方法之一，由于在某型發(fā)動(dòng)機(jī)修復(fù)過(guò)程分解剝離火焰筒各段與相連的波紋板時(shí)，在原矩形點(diǎn)焊處出現(xiàn)的局部材料減薄，已超出相關(guān)設(shè)置和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)受到修理材料的焊接性能及修理的可操作性等未知因素影響，修復(fù)修理工作未能開(kāi)展。

本文通過(guò)實(shí)施修理工藝分解及復(fù)裝、修理件材料電阻焊焊接試驗(yàn)、撕破檢查、金相檢查；采用選配錯(cuò)開(kāi)原焊點(diǎn)減薄處，再滑合裝配焊接完成換段修復(fù)，完整地掌握了火焰筒換段修理技術(shù)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)修理技術(shù)的提升儲(chǔ)備有著現(xiàn)實(shí)意義。

1　燃燒室及火焰筒結(jié)構(gòu)

某型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室（如圖1所示）由火焰筒、燃燒室機(jī)匣、噴嘴、渦流器、點(diǎn)火器等組成。

圖1　某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室

從圖中可見(jiàn)，其火焰筒屬氣膜冷卻式火焰筒，安裝于空氣進(jìn)氣口和燃?xì)鈱?dǎo)管之間，主要由呈球形錐狀的頭部、5道波紋板氣膜冷卻結(jié)構(gòu)組成的圓柱段及左、右聯(lián)焰管等組成。第3～6段間有5道波紋板，其節(jié)點(diǎn)與各段連接處采用矩形點(diǎn)焊連接以形成環(huán)道，2股空氣通過(guò)環(huán)道形成1層冷卻氣膜，用以冷卻筒體內(nèi)表面，以降低火焰筒的壁面溫度?；鹧嫱哺鲌A柱段均由GH163合金板材制成，材料厚度為0.9mm。波紋板均由GH3030合金板材制成，材料厚度為0.7mm。

2　故障檢查與修理

2.1故障檢查

對(duì)火焰筒各段、波紋板及相連接處目視檢查：

（1）裂紋長(zhǎng)度超過(guò)25.4mm，則換段修理；

（2）燒傷及侵蝕深度超過(guò)0.127mm，則換段修理。

2.2修理后的檢查要求

（1）火焰筒換段修理允許的最小材料厚度是0.72mm；

（2）檢查新波紋板，以保證間隙內(nèi)沒(méi)有焊接飛濺；

（3）對(duì)焊接部位進(jìn)行熒光檢查；

（4）進(jìn)行空氣流量試驗(yàn)，保證設(shè)計(jì)要求。

3　火焰筒換段的修理

3.1修理件的分解檢查

由于波紋板是采用電阻焊的方法焊接到火焰筒各段上的，要使波紋板從火焰筒上剝離且不傷及各段基體，存在較大難度，經(jīng)過(guò)多次分解嘗試未能取得理想效果。依據(jù)火焰筒焊接質(zhì)量及性能評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，火焰筒各段矩形點(diǎn)焊的壓痕深度不得超過(guò)15%，波紋板的壓痕深度最大為25%。即在焊接熔合及壓力作用下，在焊點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)材料厚度減薄點(diǎn)，減薄極值為1.6 -（0.9×15%+0.7×25%）=1.29mm，其中“段”在點(diǎn)焊處，允許存在材料最大減薄0.135mm；波紋隔圈在點(diǎn)焊處，允許存在材料最大減薄0.175mm。

3.1.1修理件“段”材料減薄機(jī)理分析

修理件通常是火焰筒使用超過(guò)千小時(shí)以上的大修故障件。對(duì)修理?yè)Q段件測(cè)量并進(jìn)行分析。

（1）測(cè)量結(jié)果：矩形點(diǎn)焊處的材料厚度為1.15～1.36mm，其中最薄點(diǎn)為1.15mm，則段減薄0.17mm，該處材料厚度僅為0.73mm。分解后要保持材料厚度大于0.72mm是難以實(shí)現(xiàn)的。

（2）測(cè)量非矩形點(diǎn)焊處的材料厚度結(jié)果為0.88～0.90mm，與原材料厚度比近乎無(wú)變化。

（3）修理件矩形點(diǎn)焊處的材料減薄原因：焊接熔合時(shí)焊接壓力或火焰筒工況下點(diǎn)焊處的燒傷、侵蝕；

（4）非矩形點(diǎn)焊處的材料厚度未減薄的原因：該處未進(jìn)行熔合加壓焊接，在火焰筒工況下，該處是波紋板的波谷與火焰筒各段形成氣膜環(huán)道處，2股空氣通過(guò)環(huán)道形成1層冷卻氣膜來(lái)冷卻筒體表面，對(duì)于材料的燒傷、侵蝕影響甚小。

3.1.2新制造件段材料減薄機(jī)理分析

新制造件經(jīng)過(guò)點(diǎn)焊后，在矩形點(diǎn)焊處材料減薄0.17～0.22mm，段最大減薄0.08mm，段與波紋板在矩形點(diǎn)焊處的剝離量為0.90-0.08-0.72=0.10mm，材料厚度存在修理剝離換段裕度，可以滿足換段修理允許的最小材料厚度為0.72mm的要求。

3.1.3修理掛機(jī)件段的材料厚度狀態(tài)

火焰筒實(shí)施手工打磨分解換段，修理后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)掛機(jī)考核，分離剝離后較理想的材料厚度狀態(tài)如下：

（1）“段”在原點(diǎn)焊處材料厚度為0.65～0.82mm，其中有2個(gè)點(diǎn)材料厚度存在偏薄現(xiàn)象，不符合修理要求。

（2）“段”在非點(diǎn)焊處材料厚度為0.77～0.90mm，符合修理要求。

3.2換段修理

換段修理首先須解決修理件的材料焊接性能及如何進(jìn)行焊接的問(wèn)題。針對(duì)以上分析，在矩形點(diǎn)焊處由于材料減薄，再次焊接將導(dǎo)致更加嚴(yán)重的材料減薄及燒傷、侵蝕現(xiàn)象，因此，只有采取避開(kāi)（錯(cuò)開(kāi)）原有焊點(diǎn)的措施，才能滿足修理設(shè)計(jì)要求及火焰筒焊接設(shè)置和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.1焊接試驗(yàn)

焊接試片從修理件火焰筒段上切割截取，如圖2所示，狀態(tài)與正式修理焊接應(yīng)保持一致。清潔試片、裝配，裝配點(diǎn)焊，點(diǎn)焊時(shí)波紋板與火焰筒段的點(diǎn)焊處須錯(cuò)開(kāi)原有焊點(diǎn)。焊接試片的焊機(jī)必須與點(diǎn)焊正式零件的焊機(jī)一致，試件的搭接量應(yīng)與零件的搭接量要求相同，電極需采用特制電極。焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　焊接參數(shù)

圖2　焊接試片

3.2.2試驗(yàn)檢測(cè)

（1）測(cè)量修理件焊接試片，矩形點(diǎn)焊處的材料厚度為1.33～1.38mm；最小點(diǎn)為1.33mm，符合大于1.29mm火焰筒焊接設(shè)置和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）目檢試片：未見(jiàn)表面裂紋、表面嚴(yán)重粘損、壓痕、燒傷燒穿、飛濺、焊點(diǎn)的邊緣脹裂等現(xiàn)象。

（3）撕破檢查：撕破12個(gè)焊點(diǎn)，焊點(diǎn)均達(dá)到長(zhǎng)度≥3.25mm、寬度≥1.25mm的鑿切試驗(yàn)要求。其結(jié)果符合撕破檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）金相檢測(cè)：檢測(cè)1、2、3號(hào)件，焊透率為47%、30%、34%，無(wú)點(diǎn)焊缺陷，報(bào)告結(jié)論為合格。

3.2.3換段分離及復(fù)裝

修理件材料的焊接性能可滿足修理要求后，根據(jù)從修理的可靠性、安全性出發(fā)將風(fēng)險(xiǎn)降到最小的原則，選取修理更換火焰筒第4～6段，火焰筒換段分解如圖3所示，該項(xiàng)配套更換件及工藝裝備較成熟。不希望減薄火焰筒換段分離主體材料，應(yīng)盡可能保留原有材料壁厚。

圖3　火焰筒換段分解

采用線切割分離方法去掉有缺陷的第4～6段。使用風(fēng)動(dòng)工具磨削去除波紋板及殘留的第4段，并隨時(shí)測(cè)量火焰筒第3段分離處的壁厚，在非矩形點(diǎn)焊處保持原有材料厚度，在矩形點(diǎn)焊連接處剝離應(yīng)使材料去除最少，檢查圓周70個(gè)焊點(diǎn)，其點(diǎn)焊處的最小厚度為0.65mm且不可連續(xù)，零件表面是圓滑轉(zhuǎn)接的，不允許有鋸齒狀表面，記錄檢查結(jié)果。分解剝離磨削換段過(guò)程應(yīng)間歇漸近磨削，避免零件發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，必要時(shí)用水冷卻。采用試驗(yàn)件進(jìn)行換段分解磨削試驗(yàn)是非常必要的。剝離過(guò)程不得采用強(qiáng)撕的方法，以避免分離產(chǎn)生孔洞。

修理復(fù)裝是關(guān)鍵之一。為保證零組件整體裝配關(guān)系及尺寸要求，在復(fù)裝過(guò)程中使用專用工裝。焊接電極采用特制電極以形成矩形焊點(diǎn)及波紋要求的尺寸，在夾具上預(yù)裝配新的火焰筒第4～6段下半部組件，將上、下半部2組件滑合裝配在一起，檢查新的焊點(diǎn)是否已錯(cuò)開(kāi)原有焊點(diǎn)。如未錯(cuò)開(kāi)，則更換新件再試，直至滿足焊點(diǎn)位置要求。新、舊焊點(diǎn)在組件焊接后的狀態(tài)如圖4所示。

圖4　修理復(fù)裝

修理復(fù)裝后進(jìn)行流量試驗(yàn)，以控制通過(guò)火焰筒波紋板空氣的流量，使其達(dá)到火焰筒流量設(shè)計(jì)要求。

3.3掛機(jī)考核

將經(jīng)過(guò)換段修理的火焰筒裝機(jī)進(jìn)行試車考核，掛機(jī)考核后分解檢查未見(jiàn)異常，通過(guò)了質(zhì)量驗(yàn)證試車考核，說(shuō)明修理工藝可行。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)修理工藝驗(yàn)證，在材料焊接試驗(yàn)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、掛機(jī)質(zhì)量考核試車后評(píng)審，該修理方法可以滿足試車性能要求，修理方法及工藝合理可行，實(shí)現(xiàn)了火焰筒的換段修理。

火焰筒換段修理還可應(yīng)用于新制造火焰筒時(shí)，各段存在制造缺陷的補(bǔ)救。新制造件點(diǎn)焊后，在矩形點(diǎn)焊處材料減薄為0.17～0.22mm，段最大減薄0.08mm，補(bǔ)救時(shí)只要控制各段矩形點(diǎn)焊的壓痕深度不超過(guò)6%，即可保證火焰筒最終的壓痕深度不超過(guò)15%，波紋板的壓痕深度最大25%的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。

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（編輯：張寶玲）

Technology Study on Section-Change Repair with Rectangular Spot Welding of Combustor Liner for Aeroengine

LIANG Jian，ZHAO Hai，XU Yong-gang
（AVIC Xi'an Aero-Engine（Group）Ltd.，Xi'an 710021，China）

Aiming at the problem of cracks，burning and erosion on combustion liners of an aeroengine in overhaul，a repair technique of section-change was tested on sections No.4，No.5 and No.6 of the liner.A method of defining and removing failure section and replacing it with new section was presented through structural analysis of the liner.During disassembly，the technique of controlling the local reducing of material of the remaining section was adopted.During reassembly，the technique of avoiding second-time resistance spot weld in the thinning place was adopted.In the mean time，the verification tests of resistance spot weld，rupture check，metallographical check were made so as to arrive at a successful section-change repair of liner.Liner repaired according to the method have passed the verification of on-engine test.The method can be taken as remedy means due to manufacturing defects of some sections during mass production.

combustor liner；repair；rectangular spot welding；section-change；aeroengine

V 261.3+4

Adoi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.05.016

2015-10-06

梁鍵（1966），女，碩士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造修理工藝技術(shù)研究工作；E-mail：jliang66@126.com。

引用格式：梁鍵，趙海，許勇剛.航空發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒矩形點(diǎn)焊換段修理技術(shù)研究［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016，42（5）：94-97.LIANGJian，ZHAOHai，XUYonggang. Technologystudyonsection-changerepairwithrectangularspotweldingofcombustorlinerforaeroengine［J］.Aeroengine，2016，42（5）：94-97.