激光焊接在发动机翻修中的应用

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激光加工是利用高辐射强度的激光束，经过光学系统聚焦(聚焦后的功率密度可达到10*4~10*11w/cm2)，对工件加工部位施加高温的热加工技术。激光束的能量可使合金中的高熔点相、夹杂物等完全熔化。激光加工可在大气中进行，也可在真空中进行。对于一些特殊的合金(如钛合金)，无需在真空状态下进行激光加工，只需吹保护性气体(对于镍基合金和钦合金采用氨气或氮气)。基体材料熔化区可限制在几十微米，甚至更薄的范围。激光熔敷层产生的热影响区的厚度大约是熔敷层厚度的1/10(0.10-0.25mm)，这就意味着热影响区很窄。
激光熔敷和焊接技术优势
激光熔敷多用于发动机零部件的恢复尺寸修复，与其他形式的堆焊相比，该技术优势集中体现在以下几个方面。
(1)激光熔敷加工精度高，易于实现近净成形和后续精加工。如果采用TIG堆焊，堆焊的宽度与高度不易控制，后续精加工余量过大，且热影响区大。
(2)激光熔敷加工易于数字化控制，可加工几何形状复杂的零部件。若采用手工焊接，在稳定性和质量上都无法满足要求。
(3)采用高效的自动化激光熔敷技术，可以有效地减小热影响区，降低叶片裂纹的产生，产品的一次合格率可以稳定在95%以上，而采用传统标准工艺(TIG堆焊)则相差甚远。
(4)激光熔敷可以在氢气保护下进行，而无需真空环境。与电子束堆焊相比，加工效率更高，设备维护更方便。
国外的应用现状
激光熔敷技术主要用于航空发动机涡轮叶片、导向叶片和气路封严系统的零部件修理。以下是国外一些公司应用激光熔敷技术的情况。
(1)英国罗-罗公司
激光熔敷在燃气轮机热端部件制造上的运用，应首推罗一罗公司。该公司于1981年就采用此工艺对RB211发动机涡轮叶片冠部阻尼面进行钻基耐磨合金敷层强化处理。在罗一罗公司资助下，英国诺丁汉大学已经开发出叶片修理系统，并在罗-罗公司大修中心得到应用，维修的范围有压气机叶尖，涡轮叶片封严蓖齿等。
(2)美国普惠公司
普惠公司继罗-罗公司之后进一步发展了激光熔敷技术，成功地建立了两条自动化激光熔敷生产线，在JT8D和JT9D两种发动机的第一级和第二级的PWA1455合金材料的转子叶片锯齿冠阻尼面上，制备出高质量的钻基耐磨合金层。
普惠公司在美国空军项目(IMIP计划)资助下，建立了涡轮叶片激光焊接加工中心，可以完成涡轮叶片所需部件的自动激光焊接，如JTgD与Flo的二级涡轮转子叶片和V2500、F100与PW2037的涡轮导向叶片等。
(3)美国通用电气公司
美国通用电气(GE)公司首先将激光熔敷技术应用在燃气轮机热端部件的修复上。它于1990年采用5kWCO2激光加工设备，接长修复了高压涡轮叶片的叶尖。并声称该技术为公司十大新技术之一。
GE公司成功地完成了喷气发动机的导流板和导向叶片的激光焊接组装，有效地解决了Inconel600和700系列Hastelloy，Ren41和Waspaloy牌号的镍基合金小型零件激光焊接变形与裂纹等问题。
(4)美国霍尼韦尔公司
在先进的维修领域，霍尼韦尔公司重点发展以下三方面:自适应加工;激光焊接，钎焊和热加工;表面处理和先进涂层工艺。其中，激光焊接修理发动机叶片工艺已经成功用于LF507涡扇喷气发动机上。据统计，叶片的翻修成本仅为购置新叶片价格的1/5，对一台商用发动机，修理其低玉涡轮叶片，可以比更换这些叶片节约18万美元。该公司已经修复了100万片的涡轮叶片，并且修复的叶片已累计飞行2千万个飞行小时。霍尼韦尔公司拥有几十项关于激光焊接技术的专利，其中包括先进的送粉装置;采用3-D自适应技术激光焊接喷管和气体整流罩;便携式激光设备。霍尼韦尔公司的设备与技术获得了ISO9001的认证，同时在发动机的部件和附件的检查、翻修、测试等方面也取得了FAA/JAA的认证。
(5)德国MTU公司
德国MTU公司与汉诺威激光研究中心共同发展了激光堆焊技术，用于涡轮叶片冠部阻尼面的硬面敷层或恢复几何尺寸。
MTU公司采用包覆熔敷技术(ContainedLaserPowderCladding，CLPC)对发动机压气机叶片叶尖部的磨损进行修复。公司在堆焊研究过程中分别采用等离子弧焊接(PlasmaArcwelding,PAW)，普通激光熔敷(LaserPowdercladding，LPC)与包覆熔敷进行对比试验。结果表明，为获得熔敷的足够高度，PAW和LPC技术需要2~3次熔敷过程，而CLPC只需一次;CLPC的熔敷速度明显高于其他两种技术;在熔敷的后续加工中PAW与LPC修复的叶片加工量很大，而CLPC基本无需加工，可以认为CLPC技术是近净形修复技术;修复后的显微硬度显示CLPC与LPC加工的材料硬度明显高于PAW，热影响区也大大小于PAW。MTU采用高效的自动化激光熔敷技术，可以有效地减小热影响区，降低叶片裂纹的产生。产品的一次合格率可以稳定在95%以上，而采用传统标准工艺(TIG堆焊)一次合格率平均不足75%。
(6)美国伍德集团公司
美国伍德集团公司利用激光粉末合金熔焊技术修理航空发动机叶片，取得了很好的效果。采用这种修理技术可以修理过去认为不可修的单晶和DS合金零部件。利用该技术生产的焊接件可以精确保持部件的原有形状和尺寸，减少焊后处理工序，从而提高生产率。
(7)加拿大Liburdi集团公司
加拿大Liburdi集团公司研制了一种专利的叶片修理技术，该技术采用一种激光器及实心金属焊丝相结合的方法。这种修理方法的基本过程是让激光束将工件的基体熔化形成焊池，然后将焊丝引入焊池使其熔化，并通过基体金属与激光束的相对移动而使熔融的金属凝固成连续焊缝。这种修理技术的优点是输入的热量少，因此不需要复杂的冷却系统。而且，速度高，焊点可实现“近净”成形。Liburdi集团公司现已成功将该技术应用在罗-罗公司的RB211的高压涡轮，中压涡轮和低压涡轮的叶片修理上，并且在2001年获得罗一罗公司授权专门从事RB211发动机叶片和其他相关部件的激光焊接修复工作。Liburdi集团公司还获得GE，西门子一西屋的"F"级部件修理许可，从事GE7FA系列的喷嘴和燃烧室等修复。同时还承担西门子V84.3A系列的1、2、3级叶片的修复。
国内的应用现状
航空发动机叶冠阻尼面表面耐磨处理技术有四种:一是像WP7一样，采用等离子喷涂;二是像AII-31Φ一样，采用真空高温钎焊耐磨合金块;三是像CFM56，采用氢弧堆焊;四是像美国JT8D，采用激光熔敷涂层。中科院金属所与沈阳发动机研究所开发的涡轮叶片锯齿冠激光熔覆技术(熔敷材料为含有少量稀土元素的CoCrw)，已经成功用于我国自主研发的两种新型航空发动机的叶冠阻尼面硬面敷层强化处理上，获得了十分满意的效果。通过一系列的试验，包括熔覆的工艺试验、耐磨性试验、抗氧化和腐蚀试验、结合力试验、硬度测定和金相分析等，证明激光熔覆层质量大大优于其他传统喷涂工艺。
中科院金属所采用激光微积分显微焊技术对工件的三维立体局域损伤(如孔洞、气孔、深坑和裂纹等)进行了原位无损修复，特别是基材为难焊接或不可焊接材料时更为有效。激光显微焊优点在于可以获得内应力最小、空间界面结合最好，最少缺陷的立体补焊修复区。现已应用此技术成功地修补了我国研制的新机空心导向叶片的铸造工艺孔，对其低压涡轮1，2级三连体无余量精铸导向器叶片大小安装板上的疏松、缩孔与裂纹等缺陷进行了激光补焊，通过了装机台架试车考核。
总结
现在，采用激光修复发动机关键部件的技术，已经得到许多发动机制造厂商的认可。如罗一罗、普惠、GE等公司都在其发动机翻修手册中介绍了激光焊接技术。因此，可以预见激光焊接技术在发动机翻修中的地位将越来越重要。