一种整流器叶片焊接修复方法
文献发布时间：2024-04-18 19:52:40
技术领域
本发明涉及航空发动机修理技术领域，尤其涉及一种整流器叶片焊接修复方法
背景技术
航空发动机叶片长期工作在高温、高压和高速的恶劣环境下，极易出现损伤。叶片的焊接修复是航空发动机维修和保养中的关键技术，由于焊接属于局部非稳态热过程，单个叶片的修复可能造成发动机定子和转子整体形位精度下降、组织性能恶化等一系列问题。研究发动机叶片的焊接修复工艺，对提高航空发动机维护技术水平具有重要意义。
如图1所示为某整流器的结构及待焊叶片焊接部位示意图，该整流器由外环1和多个叶片通过钎焊组成。工作中易发生叶片打伤、裂纹现象。为降低发动机修理成本，对整流器进行焊接修复十分必要。目前进行叶片常用的焊接方式包括激光焊和氩弧焊两种。进行修复时，待焊叶片2与外环1的接头形式为带锁底的对接，要求焊缝A位于外环1的背面，要求整流器焊接前后端面的翘曲变化不超过0.1mm。
由于整流器的外环1与待焊叶片2的几何外形特殊且配合要求较高，另外，其主要的难点在于熔深难以控制，焊缝处的母材厚度在3.5mm以上，如果要有足够的熔深，就需要用比较大的参数，或者比较慢的焊接速度，这对整个半环的热影响会非常大，不利于变形控制。如何进行焊接、以及采用何种焊接方式是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种整流器叶片焊接修复方法，旨在解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种整流器叶片焊接修复方法，包括以下步骤：
步骤S1：基于有限元法建立整流器焊接过程的热力耦合数值模型，以及建立氩弧焊、激光焊的热源模型；
步骤S2：设定氩弧焊数值模拟参数、以及激光焊数值模拟参数，分别采用氩弧焊、激光焊方式对整流器进行数值模拟焊接；
步骤S3：对采用两种焊接方式在焊完成瞬间的温度场、焊后残余应力场、以及焊后残余轴向变形进行对比；
步骤S4：根据步骤S3中的对比结果，确定适合的焊接方式；
步骤S5：通过实际焊接试验，对步骤S4中确定的适合焊接方式进行可行性验证；
步骤S6：若步骤S5中的可行性验证通过，则利用焊接工装对整流器进行装夹，采用步骤S4中确定的焊接方式将待焊叶片(2)进行焊接在外环(1)上。
优选的，步骤S1中建立的热力耦合数值模型为：
其中：ρ为密度，单位为：kg/m
C
T为温度，单位为K；
t为时间，单位为s；
λ
λ
λ
Q
q
其中：q
h
T
T
Q
其中，Q
A为焊接工件的总表面积，单位为m
q
其中，q
ε为工件表面发射率；
σ为斯蒂芬玻耳兹曼常数；
F为工件表面的形状系数，
Q
其中，Q
A为焊接工件的总表面积，单位为m
其中，等号左边为熔化焊接过程中工件的应变率；
等号右边第一项为弹性应变率；
第二项为塑性应变率；
第三项为热应变率；
第四项为蠕变应变率；
第五项为相变应变率，
其中，α为热膨胀系数，单位为m/K；
为温度变化率，单位为K/s；
δ
其中，ν为材料的泊松比；
E为材料的弹性模量，单位为Pa；
λ则为比例因子。
优选的，在步骤S1中，氩弧焊采用双椭球体热源，其热源模型为：
其中，Q为焊接电弧的功率，单位为W；
a，b，c为双椭球的形状参数；
f
优选的，在步骤S1中，激光焊采用锥形体热源，其热源模型为：
其中，η是效率值；
P是激光束能量，单位为J；
z
r
r是关于x和y的半径函数。
优选的，在步骤S1中，在建立热力耦合数值模型时，需要考虑与待焊叶片(2)相邻的两个叶片受到的影响，采用全四面体Tet单元，平均单元尺寸取0.5mm，待焊叶片与外环的模型之间采用粘接接触的方式进行连接。
优选的，在步骤S2中：氩弧焊数值模拟参数为：电流30A、电压10V、焊接速度60mm/min、热效率0.75；激光焊数值模拟参数为：激光功率600W、离焦量10mm、焊接速度600mm/min、热效率0.86。
优选的，在步骤S4中，选择激光焊作为焊接方式；在步骤S5中，对激光焊方式进行可行性验证时，所采用的激光焊接系统包括：杰普特4KW光纤激光器，光纤直径100μm；KUKA六轴联动机械人，定位精度为0.1mm；HIGHYAG激光头。
优选的，在步骤S6中，焊接工装包括两块相对间隔设置的侧撑板、设置在两块侧撑板之间的顶块；在两块侧撑板相对的内侧面上分别设置有弧形卡槽用于卡接外环的两侧边缘；在所述顶块上设有顶紧螺钉，顶紧螺钉的顶端用于顶紧在所述待焊叶片的缘板内侧；两块侧撑板通过螺栓连接。
优选的，在侧撑板中间靠上部的位置处开设有用于散热的U形槽，在该U形槽上安装有散热盖板；散热盖板为铝合金材质。
优选的，在所述U形槽的底部设置有档条，在所述散热盖板的下部设置有槽口，当散热盖板装配时，所述槽口卡接在档条上，且两块散热盖板通过C型钳紧固在侧撑板的U形槽上。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：
(1)本发明中通过建立整流器焊接过程的热力耦合数值模型，以及建立氩弧焊、激光焊的热源模型，并对整流器进行数值模拟焊接，经过对比之后选择合确定适合的焊接方式，通过数值模拟和实际焊接试验充分论证了采用激光焊进行整流器修理的可行性，建立了整流器叶片径向焊接修复方法。对于氩弧焊模拟，其中采用的双椭球热源模型将焊接过程中的热输入抽象为两个椭球形状的热源，其热流密度分布随空间位置呈现出非均匀、非线性的特点，能够很好的体现熔池头短尾长的特征，也能反映热源在板厚方向上的能量分布。在氩弧焊焊接模拟中，双椭球热源能够捕捉焊接接头局部特性，因而更准确地反映了焊接过程中的温度分布和热影响区域的形态演化，同时该模型能够准确地分析焊接过程中的应力和变形行为，有助于预测焊接接头的性能和可靠性。针对激光焊模拟，其中采用的锥型热源将激光焊接过程中的热输入抽象为一个锥形体状的热源，其能量密度分布呈现出空间非均匀和非线性的特点，能够较好地模拟焊缝的热历史、热影响区域的形态演变以及熔池的动态变化。此外，该热源模型还能够更准确地揭示激光焊接过程中的温度梯度、残余应力分布以及变形行为，从而为评估焊接接头的性能和可靠性提供了有力支持。采用的热力耦合数值模型将热传导和力学响应相结合，能够精确地模拟和预测焊接过程中的温度分布、应力分布、变形行为以及热影响区域的形态演变，对于预测焊接接头的综合性能，如残余应力、变形、裂纹倾向以及热影响区域的尺寸具有重要意义，以此为焊接工艺优化提供了可靠的方法。
(2)在本发明中，所采用的焊接工装结构简单，零件数少，易于加工、装配和维护；利用侧撑板上的弧形卡槽来安装外环的两侧边缘，用于保证外环轴向上的形位精度，待焊叶片正面采用拧紧顶紧螺钉施加沿径向向外的预紧力，装夹方便简单；通过在侧撑板上设置U形槽，在焊接时利用散热盖板进行散热，可以减小焊接变形翘曲。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为某整流器的结构及待焊叶片焊接部位示意图；
图2为氩弧焊热源、激光焊热源的模型示意图；
图3为建立热力耦合数值模型时，待焊叶片与相邻的两个叶片的网格模型；
图4为进行数值模拟焊接完成瞬间的温度场对比图，其中(a)为氩弧焊正面、(b)为氩弧焊背面、(c)为激光焊正面、(d)激光焊背面；
图5为进行数值模拟焊接后残余应力场对比图，其中(a)为氩弧焊正面、(b)为氩弧焊背面、(c)为激光焊正面、(d)激光焊背面；
图6为进行数值模拟焊接后残余轴向变形对比图，其中(a)为氩弧焊侧面、(b)为氩弧焊背面、(c)为激光焊侧面、(d)激光焊背面；
图7为本发明中焊接工装的结构分解示意图；
图8为本发明中焊接工装的结构示意图；
图9为本发明中焊接工装对整流器装夹后进行焊接时的示意图。
附图标号说明：1、外环；2、待修复叶片；3、侧撑板；3a、弧形卡槽；3b、方形槽；3c、档条；3d、U形槽；4、顶块；5、小固定螺钉；6、大固定螺钉；7、大螺母；8、散热盖板；8a、槽口；9、顶紧螺钉；10、小螺母；A、焊缝。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
一种整流器叶片焊接修复方法，包括以下步骤：
步骤S1：基于有限元法建立整流器焊接过程的热力耦合数值模型，以及建立氩弧焊、激光焊的热源模型；
步骤S2：设定氩弧焊数值模拟参数、以及激光焊数值模拟参数，分别采用氩弧焊、激光焊方式对整流器进行数值模拟焊接；
步骤S3：对采用两种焊接方式在焊完成瞬间的温度场、焊后残余应力场、以及焊后残余轴向变形进行对比；
步骤S4：根据步骤S3中的对比结果，确定适合的焊接方式；
步骤S5：通过实际焊接试验，对步骤S4中确定的适合焊接方式进行可行性验证；
步骤S6：若步骤S5中的可行性验证通过，则利用焊接工装对整流器进行装夹，采用步骤S4中确定的焊接方式将待焊叶片2进行焊接在外环1上。
在步骤S1中，所建立的热力耦合数值模型为：
其中：ρ为密度，单位为：kg/m
C
T为温度，单位为K；
t为时间，单位为s；
λ
λ
λ
Q
q
其中：q
h
T
T
Q
其中，Q
A为焊接工件的总表面积，单位为m
q
其中，q
ε为工件表面发射率；
σ为斯蒂芬玻耳兹曼常数；
F为工件表面的形状系数，
Q
其中，Q
A为焊接工件的总表面积，单位为m
其中，等号左边为熔化焊接过程中工件的应变率；
等号右边第一项为弹性应变率；
第二项为塑性应变率；
第三项为热应变率；
第四项为蠕变应变率；
第五项为相变应变率，
其中，α为热膨胀系数，单位为m/K；
为温度变化率，单位为K/s；
δ
其中，ν为材料的泊松比；
E为材料的弹性模量，单位为Pa；
λ则为比例因子。
采用的热力耦合数值模型将热传导和力学响应相结合，能够精确地模拟和预测焊接过程中的温度分布、应力分布、变形行为以及热影响区域的形态演变，对于预测焊接接头的综合性能，如残余应力、变形、裂纹倾向以及热影响区域的尺寸具有重要意义，以此为焊接工艺优化提供了可靠的方法。
在步骤S1中，氩弧焊采用双椭球体热源，其热源模型为：
其中，Q为焊接电弧的功率，单位为W；
a，b，c为双椭球的形状参数；
f
采用的双椭球热源模型将焊接过程中的热输入抽象为两个椭球形状的热源，其热流密度分布随空间位置呈现出非均匀、非线性的特点，能够很好的体现熔池头短尾长的特征，也能反映热源在板厚方向上的能量分布。在氩弧焊焊接模拟中，双椭球热源能够捕捉焊接接头局部特性，因而更准确地反映了焊接过程中的温度分布和热影响区域的形态演化，同时该模型能够准确地分析焊接过程中的应力和变形行为，有助于预测焊接接头的性能和可靠性。
在步骤S1中，激光焊采用锥形体热源，其热源模型为：
其中，η是效率值；
P是激光束能量，单位为J；
z
r
r是关于x和y的半径函数。
采用的锥型热源将激光焊接过程中的热输入抽象为一个锥形体状的热源，其能量密度分布呈现出空间非均匀和非线性的特点，能够较好地模拟焊缝的热历史、热影响区域的形态演变以及熔池的动态变化。此外，该热源模型还能够更准确地揭示激光焊接过程中的温度梯度、残余应力分布以及变形行为，从而为评估焊接接头的性能和可靠性提供了有力支持。
在步骤S1中，由于焊接作业区域较小，对周围叶片和整流器半环的影响范围有限，因此，在建立热力耦合数值模型时，需要考虑与待焊叶片相邻的两个叶片受到的影响，采用全四面体Tet单元，平均单元尺寸取0.5mm，单元数量251171，节点数量57481，待焊叶片与外环的模型之间采用粘接接触的方式进行连接。
在步骤S2中：氩弧焊数值模拟参数、以及激光焊数值模拟参数分别如表1、表2所示：
表1氩弧焊数值模拟参数
结合图4所示，为进行数值模拟焊接完成瞬间的温度场对比图。从图中可以看出，由于氩弧焊焊接速度较慢，热源能量分散，熔池尺寸明显大于激光焊，单侧焊缝的热影响区几乎在宽度上覆盖整个整流器半环，对更换叶片的根部附近也产生了较大的热输入。而激光焊由于能量密度较高，其热影响区范围减小一半以上，有利于控制变形。
同时，模拟计算的结果还说明即使是对于激光焊这种能量可控的焊接方法，焊接过程对整流器半环的热影响同样是不可忽视的，在实际焊接中可考虑在整流器半环两侧采取局部散热措施。
结合图5所示，为进行数值模拟焊接后残余应力场对比图，焊接区氩弧焊焊后残余应力要小于激光焊。这是因为整流器叶片的两条焊缝距离较近，而氩弧焊焊接时热影响范围较大，第二道焊缝焊接时对第一道焊缝有退火作用，松弛了部分残余应力。而激光焊两条焊缝之间的交互作用则较弱，因此焊后两侧的高残余应力区均保留至室温。氩弧焊焊后整体残余应力水平虽有所下降，但在更换叶片的根部造成了明显的残余应力集中，对叶片的使用性能可能造成影响。
结合图6所示，为进行数值模拟焊接后残余轴向变形对比图。其中黑色实线框表示整流器焊前轮廓，为了便于观察，图中的变形均放大了三倍。可以看到整流器焊后整体变形形式为半环沿径向向外翘曲。由于该整流器径向上刚度较好，因焊缝在周向上位置不对称引起的轴向翘曲很小，氩弧焊和激光焊焊后整流器半环整体轴向变形相差较小，激光焊对比氩弧焊变形仅减小23％左右。
焊接过程数值模拟结果表明，采用激光焊作为修理工艺可以在不同程度上控制整流器半环的变形，有利于达到技术要求。因此在步骤S4中，选择激光焊为主要修理工艺。
在步骤S5中，对激光焊方式进行可行性验证时，所采用的激光焊接系统包括：杰普特4KW光纤激光器，光纤直径100μm；KUKA六轴联动机械人，定位精度为0.1mm；HIGHYAG激光头。
为了充分验证激光焊接方案的变形控制能力，对整流器仅采用最简单的装卡条件，在几乎无约束的条件下进行焊接。焊前将待焊叶片点固在半环上，仅对半环给予必要的位置约束，然后采用表2中所示的工艺参数进行焊接。焊接后经压块法测量，整流器焊后端面变形量小于0.05mm。接头焊缝尺寸均匀表面平滑且光亮，无飞溅，氩气局部保护效果良好，焊缝表面无咬边、焊瘤裂纹等表面缺陷，焊后变形满足技术要求。
结合图7、图8所示，在步骤S6中，焊接工装包括两块相对间隔设置的侧撑板3、设置在两块侧撑板3之间的顶块4；在两块侧撑板3相对的内侧面上分别设置有弧形卡槽3a用于卡接外环1的两侧边缘；弧形卡槽的尺寸与整流器外环1沿接触面的尺寸相同，用于保证整流器外环1轴向上的形位精度；在所述顶块4上设有顶紧螺钉9，顶紧螺钉9的顶端用于顶紧在所述待焊叶片2的缘板内侧；两块侧撑板3通过螺栓连接。在侧撑板3中间靠上部的位置处开设有用于散热的U形槽3d，在该U形槽3d上安装有散热盖板8；散热盖板8为铝合金材质。在所述U形槽3d的底部设置有档条3c，在所述散热盖板8的下部设置有槽口8a，当散热盖板8装配时，所述槽口8a卡接在档条3c上，且两块散热盖板8通过C型钳紧固在侧撑板3的U形槽3d上。U形槽3d要避开焊接部位，防止干涉，同时起到散热作用。
在本实施例中，两块侧撑板3之间的螺栓连接具体采用小固定螺钉5、大固定螺钉6、大螺母7、小螺母10进行连接，侧撑板下端对称开有4个大孔，用于大固定螺钉6固定使用，上端对称开2小孔，用于小固定螺钉5固定使用。采用小固定螺钉5、大固定螺钉6均衡所形成的螺栓连接结构受力，保证连接的可靠性。侧撑板中开有方形槽3b，所述顶块4为长方形，顶块4的两侧插设在方形槽3b内。
结合图9所示，在进行焊接时，采用上述焊接工装对整流器进行装夹，弧形卡槽3a的尺寸与整流器半环外沿接触面的尺寸相同，用于保证整流器半环轴向上的形位精度，待焊叶片2正面采用M4的顶紧螺钉9施加沿径向向外的预紧力，待焊叶片2被完全紧固后安装两侧的散热盖板8，并使得散热盖板8的槽口8a卡接在U形槽3d底部的档条3c上，通过C型钳进行紧固。利用散热盖板8从整流器端面对半环进行散热。
在进行装夹时，保证叶片底部缘板和整流器外环之间的装配间隙小于0.05mm，对缘板和整流器接触的四个角进行点固。
焊接时，先焊接任意一侧，待整流器和焊接工装完全冷却至室温再焊接另一侧，待整流器和焊接工装完全冷却至室温后将整流器取出，完成一次叶片更换。
在进行步骤S6时，将需要待焊叶片2和叶盘接触面清理干净，去除油污、锈迹、灰尘和其他杂质。使用砂纸和酒精进行打磨和清洁。确保焊接表面光滑、平整、干燥，并且没有任何污垢和氧化物。
具体的装夹及焊接过程如下：
一、将待修复的工件放入焊接工装中，使得外环1的两侧缘边卡入侧撑板3上的弧形卡槽3a中，转动工件，将待修复的部位旋转到侧撑板3中间带U形槽3d位置；
二、通过拧紧小固定螺钉5和大固定螺钉6进行初步固定；
三、拧紧顶紧螺钉9，使得顶紧螺钉9完全支撑待焊叶片2的底缘；
四、最终拧紧小固定螺5钉和大固定螺钉6，使得固定可靠；
五、将散热盖板8装入侧撑板上的U形槽3d中，使用C型大力钳夹紧固定。
六、选择激光焊接系统包括：杰普特4KW光纤激光器，光纤直径100μm；KUKA六轴联动机械人，定位精度为0.1mm；HIGHYAG激光头；
七、调整焊接参数，具体为：激光功率600W、离焦量10mm、焊接速度600mm/min、热效率0.86；
八、对待修复部位进行焊接，将待焊叶片2进行焊接在外环1上；
九、重复上述步骤完成所有叶片的修复。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。