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激光焊接在發動機翻修中的應用
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| 發布時間：2010.06.02 新聞來源：方圓集團上海激光科技有限公司 瀏覽次數： |
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激光焊接在發動機翻修中的應用
激光加工是利用高輻射強度的激光束 ，經過光學系統聚焦(聚焦后的功率密度可達到10*4~10*11w/cm2)，對工件加工部位施加高溫的熱加工技術。激光束的能量可使合金中的高熔點 相、夾雜物等完全熔化。激光加工可在大氣中進行，也可在真空中進行。對于一些特殊的合金(如鈦合金)，無需在真空狀態下進行激光加工，只需吹保護性氣體 (對于鎳基合金和欽合金采用氨氣或氮氣)。基體材料熔化區可限制在幾十微米，甚至更薄的范圍。激光熔敷層產生的熱影響區的厚度大約是熔敷層厚度的 1/10(0.10-0.25mm)，這就意味著熱影響區很窄。
激光熔敷和焊接技術優勢
激光熔敷多用于發動機零部件的恢復尺寸修復，與其他形式的堆焊相比，該技術優勢集中體現在以下幾個方面。
(1) 激光熔敷加工精度高，易于實現近凈成形和后續精加工。如果采用TIG堆焊，堆焊的寬度與高度不易控制，后續精加工余量過大，且熱影響區大。
(2) 激光熔敷加工易于數字化控制，可加工幾何形狀復雜的零部件。若采用手工焊接，在穩定性和質量上都無法滿足要求。
(3) 采用高效的自動化激光熔敷技術，可以有效地減小熱影響區，降低葉片裂紋的產生，產品的一次合格率可以穩定在95%以上，而采用傳統標準工藝(TIG堆焊)則相差甚遠。
(4) 激光熔敷可以在氫氣保護下進行，而無需真空環境。與電子束堆焊相比，加工效率更高，設備維護更方便。
國外的應用現狀
激光熔敷技術主要用于航空發動機渦輪葉片、導向葉片和氣路封嚴系統的零部件修理。以下是國外一些公司應用激光熔敷技術的情況。
(1) 英國羅-羅公司
激光熔敷在燃氣輪機熱端部件制造上的運用，應首推羅一羅公司。該公司于1981年就采用此工藝對RB211發動機渦輪葉片冠部阻尼面進行鉆基耐磨 合金敷層強化處理。在羅一羅公司資助下，英國諾丁漢大學已經開發出葉片修理系統，并在羅-羅公司大修中心得到應用，維修的范圍有壓氣機葉尖，渦輪葉片封嚴 蓖齒等。
(2) 美國普惠公司
普惠公司繼羅-羅公司之后進一步發展了激光熔敷技術，成功地建立了兩條自動化激光熔敷生產線，在JT8D和JT9D兩種發動機的第一級和第二級的PWA1455合金材料的轉子葉片鋸齒冠阻尼面上，制備出高質量的鉆基耐磨合金層。
普惠公司在美國空軍項目(IMIP計劃)資助下，建立了渦輪葉片激光焊接加工中心，可以完成渦輪葉片所需部件的自動激光焊接，如JTgD與Flo的二級渦輪轉子葉片和V2500、F100與PW2037的渦輪導向葉片等。
(3) 美國通用電氣公司
美國通用電氣(GE)公司首先將激光熔敷技術應用在燃氣輪機熱端部件的修復上。它于1990年采用5kWCO2激光加工設備，接長修復了高壓渦輪葉片的葉尖。并聲稱該技術為公司十大新技術之一。
GE公司成功地完成了噴氣發動機的導流板和導向葉片的激光焊接組裝，有效地解決了Inconel600和700系列Hastelloy，Ren41和Waspaloy牌號的鎳基合金小型零件激光焊接變形與裂紋等問題。
(4) 美國霍尼韋爾公司
在先進的維修領域，霍尼韋爾公司重點發展以下三方面:自適應加工;激光焊接，釬焊和熱加工;表面處理和先進涂層工藝。其中，激光焊接修理發動機葉 片工藝已經成功用于LF507渦扇噴氣發動機上。據統計，葉片的翻修成本僅為購置新葉片價格的1/5，對一臺商用發動機，修理其低玉渦輪葉片，可以比更換 這些葉片節約18萬美元。該公司已經修復了100萬片的渦輪葉片，并且修復的葉片已累計飛行2千萬個飛行小時。霍尼韋爾公司擁有幾十項關于激光焊接技術的 專利，其中包括先進的送粉裝置;采用3-D自適應技術激光焊接噴管和氣體整流罩;便攜式激光設備。
霍尼韋爾公司的設備與技術獲得了ISO9001的認證，同時在發動機的部件和附件的檢查、翻修、測試等方面也取得了FAA/JAA的認證。
(5) 德國MTU公司
德國MTU公司與漢諾威激光研究中心共同發展了激光堆焊技術，用于渦輪葉片冠部阻尼面的硬面敷層或恢復幾何尺寸。
MTU公司采用包覆熔敷技術(Contained Laser Powder Cladding，CLPC)對發動機壓氣機葉片葉尖部的磨損進行修復。公司在堆焊研究過程中分別采用等離子弧焊接(Plasma Arc welding,PAW)，普通激光熔敷(Laser Powder cladding，LPC)與包覆熔敷進行對比試驗。結果表明，為獲得熔敷的足夠高度，PAW和LPC技術需要2~3次熔敷過程，而CLPC只需一 次;CLPC的熔敷速度明顯高于其他兩種技術;在熔敷的后續加工中PAW與LPC修復的葉片加工量很大，而CLPC 基本無需加工，可以認為CLPC 技術是近凈形修復技術;修復后的顯微硬度顯示CLPC與LPC加工的材料硬度明顯高于PAW，熱影響區也大大小于PAW。MTU采用高效的自動化激光熔敷 技術，可以有效地減小熱影響區，降低葉片裂紋的產生。產品的一次合格率可以穩定在95%以上，而采用傳統標準工藝(TIG堆焊)一次合格率平均不足 75%。
(6) 美國伍德集團公司
美國伍德集團公司利用激光粉末合金熔焊技術修理航空發動機葉片，取得了很好的效果。采用這種修理技術可以修理過去認為不可修的單晶和DS合金零部件。利用該技術生產的焊接件可以精確保持部件的原有形狀和尺寸，減少焊后處理工序，從而提高生產率。
(7) 加拿大Liburdi集團公司
加拿大Liburdi集團公司研制了一種專利的葉片修理技術，該技術采用一種激光器及實心金屬焊絲相結合的方法。這種修理方法的基本過程是讓激光 束將工件的基體熔化形成焊池，然后將焊絲引入焊池使其熔化，并通過基體金屬與激光束的相對移動而使熔融的金屬凝固成連續焊縫。這種修理技術的優點是輸入的 熱量少，因此不需要復雜的冷卻系統。而且，速度高，焊點可實現“近凈”成形。Liburdi集團公司現已成功將該技術應用在羅-羅公司的RB211的高壓 渦輪，中壓渦輪和低壓渦輪的葉片修理上，并且在2001年獲得羅一羅公司授權專門從事RB211發動機葉片和其他相關部件的激光焊接修復工作。 Liburdi集團公司還獲得GE，西門子一西屋的"F"級部件修理許可，從事GE7FA系列的噴嘴和燃燒室等修復。同時還承擔西門子V84.3A系列的 1、2、3級葉片的修復。
國內的應用現狀
航空發動機葉冠阻尼面表面耐磨處理技術有四種:一是像WP7一樣，采用等離子噴涂;二是像AII-31Φ一樣，采用真空高溫釬焊耐磨合金塊;三是 像CFM56，采用氫弧堆焊;四是像美國JT8D，采用激光熔敷涂層。中科院金屬所與沈陽發動機研究所開發的渦輪葉片鋸齒冠激光熔覆技術(熔敷材料為含有 少量稀土元素的CoCrw)，已經成功用于我國自主研發的兩種新型航空發動機的葉冠阻尼面硬面敷層強化處理上，獲得了十分滿意的效果。通過一系列的試驗， 包括熔覆的工藝試驗、耐磨性試驗、抗氧化和腐蝕試驗、結合力試驗、硬度測定和金相分析等，證明激光熔覆層質量大大優于其他傳統噴涂工藝。
中科院金屬所采用激光微積分顯微焊技術對工件的三維立體局域損傷(如孔洞、氣孔、深坑和裂紋等)進行了原位無損修復，特別是基材為難焊接或不可焊 接材料時更為有效。激光顯微焊優點在于可以獲得內應力最小、空間界面結合最好，最少缺陷的立體補焊修復區。現已應用此技術成功地修補了我國研制的新機空心 導向葉片的鑄造工藝孔，對其低壓渦輪1，2級三連體無余量精鑄導向器葉片大小安裝板上的疏松、縮孔與裂紋等缺陷進行了激光補焊，通過了裝機臺架試車考核。
總結 www.blz520.com
現在，采用激光修復發動機關鍵部件的技術，已經得到許多發動機制造廠商的認可。如羅一羅、普惠、GE等公司都在其發動機翻修手冊中介紹了激光焊接技術。因此，可以預見激光焊接技術在發動機翻修中的地位將越來越重要。 |
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