航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置及方法，其中焊接装置包括惯性摩擦焊机主体结构和焊接工装夹具，惯性摩擦焊机主体结构包括主轴箱体组件和尾座箱体组件，焊接工装夹具包括鼓筒轴工装夹具、涡轮盘工装夹具、涡轮后轴工装夹具和组合体工装夹具。相比于现有技术，本发明专利技术公开的焊接装置及方法保障了航空发动机涡轮盘轴焊接过程中的稳定性、尺寸精度及接头性能，提高了航空发动机涡轮盘轴组件的生产速率并降低了生产成本。轴组件的生产速率并降低了生产成本。轴组件的生产速率并降低了生产成本。

【技术实现步骤摘要】
航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置及方法


[0001]本专利技术涉及惯性摩擦焊接
，特别是涉及一种航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置及方法。

技术介绍

[0002]惯性摩擦焊作为固相焊接工艺中较为典型的一种焊接方法，焊接过程首先通过旋转的飞轮储存机械动能，带动其中一个部件做高速旋转运动，在轴向摩擦压力作用下与另一端静止部件摩擦产生热量，在顶锻焊接压力作用下摩擦界面材料发生塑性变形与流动，进而实现两个部件的焊接。惯性摩擦焊接过程中，由于摩擦界面温度未达到材料熔点，且焊接速度快、时间短，界面材料处于高温塑性状态，焊接顶锻后界面上的部分高温金属材料被挤出焊缝而形成焊接飞边，飞边挤出过程中可排除试件端面存在的油污及氧化物夹渣，具有自清理作用，可避免夹渣缺陷的存在，同时焊缝在焊接过程中处于封闭状态，防止了空气的进入，完全避免了熔化焊接头中常出现的气孔、夹渣、裂纹及未熔合等缺陷，尤其适用于力学性能差别较大的同质/异质材料的轴对称零部件的焊接，并可获得高质量的焊接接头。
[0003]随着高性能航空发动机的不断更新换代，新型高温合金材料在航空发动机涡轮盘轴组件上的应用也越来越多，特别是粉末冶金高温合金(如U720Li、Rene'88DT、RR1000等)具有晶粒细密、组织均匀、无宏观偏析、屈服强度高、疲劳性能好等突出优点，已成为航空发动机涡轮盘轴采用的最佳材料。而对于以粉末冶金高温合金为代表的异种高温合金材料的焊接，电子束焊接工艺已经难以获得高质量的焊接接头，主要是由于作为一种高能量密度的熔焊工艺，在高温合金焊接过程中高体积百分比的γ'强化相成分复杂，导致焊接过程中易形成结晶裂纹、热影响区液化裂纹和应变时效裂纹；另外，由于组织、熔点、热导率、热膨胀系数等参数的差异，异种高温合金材料在焊接过程中易造成组织偏析，并产生较大热应力、造成裂纹等缺陷。特别在高温合金熔化焊过程中由于晶界液化而产生的微裂纹很难避免，但又难以通过无损检测方法有效检测出来。因此，电子束等熔化焊接工艺已不适合同质及异质粉末高温合金材料的焊接。而作为固相焊接工艺的惯性摩擦焊接技术将很好地避免熔化焊过程中产生的裂纹问题和质量检测问题。
[0004]目前国内航空发动机涡轮盘轴转动部件更多采用的依然是螺栓连接或电子束焊接工艺，很大程度上限制了高性能同质/异质新型粉末高温合金材料在航空发动机涡轮盘轴转动部件上的应用，同时也限制了航空发动机整体性能的提高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置及方法，用于保证航空发动机涡轮盘轴转动部件的高质量及高精度的连接要求。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]本专利技术公开了一种航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置，包括：
[0008]惯性摩擦焊机主体结构，所述惯性摩擦焊机主体结构包括主轴箱体组件和尾座箱
体组件；
[0009]焊接工装夹具，所述焊接工装夹具包括鼓筒轴工装夹具、涡轮盘工装夹具、涡轮后轴工装夹具和组合体工装夹具，所述鼓筒轴工装夹具用于将鼓筒轴安装于所述主轴箱体组件上，所述涡轮盘工装夹具用于将涡轮盘安装于所述尾座箱体组件上，所述涡轮后轴工装夹具用于将涡轮后轴安装于所述主轴箱体组件上，所述组合体工装夹具用于将鼓筒轴与涡轮盘的第一次焊接组合体安装于所述尾座箱体组件上。
[0010]优选地，所述主轴箱体组件包括主轴箱体、主轴箱体侧主轴、主轴箱体侧芯轴和主轴弹簧夹头，所述主轴弹簧夹头通过螺栓固定在所述主轴箱体侧主轴和所述主轴箱体上。
[0011]优选地，所述尾座箱体组件包括尾座箱体、尾座箱体侧内缸体、尾座箱体侧芯轴和尾座弹簧夹头，所述尾座弹簧夹头与所述尾座箱体侧内缸体通过螺纹连接，所述尾座箱体弹簧夹头通过螺栓固定在所述尾座箱体上。
[0012]优选地，所述鼓筒轴工装夹具包括第一焊接工装和第一弹簧圈，所述第一焊接工装通过螺栓固定在所述主轴箱体侧芯轴上，所述第一弹簧圈位于所述主轴弹簧夹头与鼓筒轴之间。
[0013]优选地，所述涡轮盘工装夹具包括第二焊接工装、第三焊接工装和第二弹簧圈，通过螺栓将所述第二焊接工装与所述尾座箱体侧芯轴一起固定在所述尾座箱体侧内缸体上，所述第三焊接工装通过螺栓固定在所述第二焊接工装上，所述第二弹簧圈位于所述尾座弹簧夹头与涡轮盘之间。
[0014]优选地，所述涡轮后轴工装夹具包括第一焊接工装和第三弹簧圈，所述第一焊接工装通过螺栓固定在所述主轴箱体侧芯轴上，所述第三弹簧圈位于所述主轴弹簧夹头与涡轮后轴之间。
[0015]优选地，所述组合体工装夹具包括第四焊接工装和第三弹簧圈，所述第四焊接工装套在所述尾座箱体侧芯轴上，所述第三弹簧圈位于所述尾座弹簧夹头与涡轮盘之间。
[0016]本专利技术还公开了一种航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接方法，使用上述的航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置，包括如下步骤：
[0017]S1、在主轴箱体组件上安装鼓筒轴工装夹具，在尾座箱体组件上安装涡轮盘工装夹具；
[0018]S2、将鼓筒轴安放于已经安装好鼓筒轴工装夹具的主轴箱体组件上，鼓筒轴位于第一弹簧圈内部，并使鼓筒轴的端面与第一焊接工装的端面接触，主轴弹簧夹头通过径向压力夹紧第一弹簧圈和鼓筒轴；
[0019]S3、将涡轮盘安放于已经安装好涡轮盘工装夹具的尾座箱体组件上，涡轮盘位于第二弹簧圈内侧，涡轮盘的端面与第三焊接工装的端面接触，尾座弹簧夹头通过径向压力夹紧第二弹簧圈和涡轮盘；
[0020]S4、采用无尘布蘸取酒精或丙酮溶液分别擦拭鼓筒轴的焊接端面和涡轮盘的焊接端面，去除鼓筒轴和涡轮盘的焊接端面上的油污杂质；
[0021]S5、尾座箱体组件在轴向力作用下向主轴箱体组件移动，使鼓筒轴的端面与涡轮盘的端面紧密接触并保持静止不动，主轴弹簧夹头、尾座弹簧夹头撤去径向压力，之后再次施加径向压力，尾座箱体组件在轴向力作用下向主轴箱体组件相反方向移动一段距离后固定不动；
[0022]S6、向惯性摩擦焊机控制系统输入鼓筒轴与涡轮盘的焊接工艺参数，包括初始转速、焊接转速、摩擦压力、焊接压力；
[0023]S7、开始第一次焊接，启动惯性摩擦焊机主轴电机，使鼓筒轴转动速度达到初始转速后停止对惯性摩擦焊机主轴电机供电，尾座箱体组件在轴向摩擦压力作用下向主轴箱体组件移动一段距离，使鼓筒轴的端面与涡轮盘的端面紧密接触而摩擦产热，轴向摩擦压力保持不变；当鼓筒轴的转动速度降低到焊接转速时，轴向摩擦压力转变为焊接压力并保持不变，直至鼓筒轴停止转动后，轴向焊接压力保持一段时间后撤去轴向焊接压力；
[0024]S8、主轴弹簧夹头撤去径向压力，尾座箱体组件在轴向力下向主轴箱体组件相反方向移动一段距离后固定不动，尾座弹簧夹头撤去径向压力，卸下鼓筒轴与涡轮盘的第一次焊接组合体；
[0025]S9、拆卸鼓筒轴工装夹具、涡轮盘工装夹具；
[0026]S10、在主轴箱体组件上安装涡轮后轴工装夹具，在尾座箱体组件上安装组合体工装夹具；
[0027本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置，其特征在于，包括：惯性摩擦焊机主体结构，所述惯性摩擦焊机主体结构包括主轴箱体组件和尾座箱体组件；焊接工装夹具，所述焊接工装夹具包括鼓筒轴工装夹具、涡轮盘工装夹具、涡轮后轴工装夹具和组合体工装夹具，所述鼓筒轴工装夹具用于将鼓筒轴安装于所述主轴箱体组件上，所述涡轮盘工装夹具用于将涡轮盘安装于所述尾座箱体组件上，所述涡轮后轴工装夹具用于将涡轮后轴安装于所述主轴箱体组件上，所述组合体工装夹具用于将鼓筒轴与涡轮盘的第一次焊接组合体安装于所述尾座箱体组件上。2.根据权利要求1所述的航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置，其特征在于，所述主轴箱体组件包括主轴箱体、主轴箱体侧主轴、主轴箱体侧芯轴和主轴弹簧夹头，所述主轴弹簧夹头通过螺栓固定在所述主轴箱体侧主轴和所述主轴箱体上。3.根据权利要求1所述的航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置，其特征在于，所述尾座箱体组件包括尾座箱体、尾座箱体内缸体、尾座箱体侧芯轴和尾座弹簧夹头，所述尾座弹簧夹头与所述尾座箱体内缸体通过螺纹连接，所述尾座箱体弹簧夹头通过螺栓固定在所述尾座箱体上。4.根据权利要求2所述的航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置，其特征在于，所述鼓筒轴工装夹具包括第一焊接工装和第一弹簧圈，所述第一焊接工装通过螺栓固定在所述主轴箱体侧芯轴上，所述第一弹簧圈位于所述主轴弹簧夹头与鼓筒轴之间。5.根据权利要求3所述的航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置，其特征在于，所述涡轮盘工装夹具包括第二焊接工装、第三焊接工装和第二弹簧圈，通过螺栓将所述第二焊接工装与所述尾座箱体侧芯轴一起固定在所述尾座箱体内缸体上，所述第三焊接工装通过螺栓固定在所述第二焊接工装上，所述第二弹簧圈位于所述尾座弹簧夹头与涡轮盘之间。6.根据权利要求2所述的航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置，其特征在于，所述涡轮后轴工装夹具包括第一焊接工装和第三弹簧圈，所述第一焊接工装通过螺栓固定在所述主轴箱体侧芯轴上，所述第三弹簧圈位于所述主轴弹簧夹头与涡轮后轴之间。7.根据权利要求3所述的航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置，其特征在于，所述组合体工装夹具包括第四焊接工装和第三弹簧圈，所述第四焊接工装套在所述尾座箱体侧芯轴上，所述第三弹簧圈位于所述尾座弹簧夹头与涡轮盘之间。8.一种航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接方法，使用权利要求1
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7任意一项所述的航空发动机涡轮盘轴惯性摩擦焊接装置，其特征在于，包括如下步骤：S1、在主轴箱体组件上安装鼓筒轴工装夹具，在尾座箱体组件上安装涡轮盘工装夹具；S2、将鼓筒轴安放于已经安装好鼓筒轴工装夹具的主轴箱体组件上，鼓筒轴位于第一弹簧圈内部，并使鼓筒轴的端面与第一焊接工装的端面接触，主轴弹簧夹头通过径向压力夹紧第一弹簧圈和鼓筒轴；S3、将涡轮盘安放于已经安装好涡轮盘工装夹具的尾座箱体组件上，涡轮盘位于第二弹簧圈内侧，涡轮盘的端面与第三焊接工装的端面接触，尾座弹簧夹头通过径向压力夹紧第二弹簧圈和涡轮盘；S4、采用无尘布蘸取酒精或丙酮溶液分别擦拭鼓筒轴的焊接端面和涡轮盘的焊接端面，去除鼓筒轴和涡轮盘的焊接端面上的油污杂质；
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【专利技术属性】
技术研发人员：张春波，赵玉珊，周军，乌彦全，梁武，李睿，秦丰，李运雷，林跃，王祁，杨海峰，翟利民，张文瀚，闫翰林，
申请(专利权)人：哈尔滨焊接研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：