梁　鍵，趙　海，許勇剛

（中航工業(yè)西安航空發(fā)動機（集團）有限公司，西安710021）

航空發(fā)動機火焰筒矩形點焊換段修理技術(shù)研究

梁鍵，趙海，許勇剛

（中航工業(yè)西安航空發(fā)動機（集團）有限公司，西安710021）

針對某型航空發(fā)動機火焰筒大修時出現(xiàn)的裂紋、燒傷及侵蝕問題，開展了火焰筒第4～6段換段修理工藝試驗。通過分析火焰筒的結(jié)構(gòu)，確定了用新段替換相應的故障段的方法對火焰筒進行修復。在拆分故障段時，盡量減小保留段壁厚的局部減薄量；在重新裝配時，避免在原電阻焊點處再次焊接；通過采取以上工藝措施，實現(xiàn)了火焰筒的換段修理。同時進行了電阻焊焊接拉伸試驗、撕破檢查、金相組織檢查等工藝驗證試驗。換段修理的火焰筒通過了發(fā)動機試車考核驗證。換段工藝方法也可作為批生產(chǎn)過程中部分段制造有缺陷時的補救方案。

火焰筒；修理；矩形點焊；換段；航空發(fā)動機

0　引言

火焰筒是航空發(fā)動機燃燒室的重要組成部件［1-4］。由于發(fā)動機反復起動、停車，使得火焰筒承受大小、方向隨時間變化的循環(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段修復技術(shù)是發(fā)動機使用1個壽命期后修復火焰筒裂紋的有效方法之一，由于在某型發(fā)動機修復過程分解剝離火焰筒各段與相連的波紋板時，在原矩形點焊處出現(xiàn)的局部材料減薄，已超出相關(guān)設置和評定標準；同時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，修復修理工作未能開展。

本文通過實施修理工藝分解及復裝、修理件材料電阻焊焊接試驗、撕破檢查、金相檢查；采用選配錯開原焊點減薄處，再滑合裝配焊接完成換段修復，完整地掌握了火焰筒換段修理技術(shù)，對航空發(fā)動機修理技術(shù)的提升儲備有著現(xiàn)實意義。

1　燃燒室及火焰筒結(jié)構(gòu)

某型發(fā)動機的燃燒室（如圖1所示）由火焰筒、燃燒室機匣、噴嘴、渦流器、點火器等組成。

圖1　某型發(fā)動機燃燒室

從圖中可見，其火焰筒屬氣膜冷卻式火焰筒，安裝于空氣進氣口和燃氣導管之間，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)點與各段連接處采用矩形點焊連接以形成環(huán)道，2股空氣通過環(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

對火焰筒各段、波紋板及相連接處目視檢查：

（1）裂紋長度超過25.4mm，則換段修理；

（2）燒傷及侵蝕深度超過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)沒有焊接飛濺；

（3）對焊接部位進行熒光檢查；

（4）進行空氣流量試驗，保證設計要求。

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)量及性能評定標準，火焰筒各段矩形點焊的壓痕深度不得超過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，在焊點處會出現(xiàn)材料厚度減薄點，減薄極值為1.6 -（0.9×15%+0.7×25%）=1.29mm，其中“段”在點焊處，允許存在材料最大減薄0.135mm；波紋隔圈在點焊處，允許存在材料最大減薄0.175mm。

3.1.1修理件“段”材料減薄機理分析

修理件通常是火焰筒使用超過千小時以上的大修故障件。對修理換段件測量并進行分析。

（1）測量結(jié)果：矩形點焊處的材料厚度為1.15～1.36mm，其中最薄點為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是難以實現(xiàn)的。

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

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

（4）非矩形點焊處的材料厚度未減薄的原因：該處未進行熔合加壓焊接，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股空氣通過環(huán)道形成1層冷卻氣膜來冷卻筒體表面，對于材料的燒傷、侵蝕影響甚小。

3.1.2新制造件段材料減薄機理分析

新制造件經(jīng)過點焊后，在矩形點焊處材料減薄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修理掛機件段的材料厚度狀態(tài)

火焰筒實施手工打磨分解換段，修理后進行發(fā)動機掛機考核，分離剝離后較理想的材料厚度狀態(tài)如下：

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

（2）“段”在非點焊處材料厚度為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行焊接的問題。針對以上分析，在矩形點焊處由于材料減薄，再次焊接將導致更加嚴重的材料減薄及燒傷、侵蝕現(xiàn)象，因此，只有采取避開（錯開）原有焊點的措施，才能滿足修理設計要求及火焰筒焊接設置和評定標準。

3.2.1焊接試驗

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)與正式修理焊接應保持一致。清潔試片、裝配，裝配點焊，點焊時波紋板與火焰筒段的點焊處須錯開原有焊點。焊接試片的焊機必須與點焊正式零件的焊機一致，試件的搭接量應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)見表1。

表1　焊接參數(shù)

圖2　焊接試片

3.2.2試驗檢測

（1）測量修理件焊接試片，矩形點焊處的材料厚度為1.33～1.38mm；最小點為1.33mm，符合大于1.29mm火焰筒焊接設置和評定標準值。

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

（3）撕破檢查：撕破12個焊點，焊點均達到長度≥3.25mm、寬度≥1.25mm的鑿切試驗要求。其結(jié)果符合撕破檢驗評定標準要求。

（4）金相檢測：檢測1、2、3號件，焊透率為47%、30%、34%，無點焊缺陷，報告結(jié)論為合格。

3.2.3換段分離及復裝

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)將風險降到最小的原則，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。使用風動工具磨削去除波紋板及殘留的第4段，并隨時測量火焰筒第3段分離處的壁厚，在非矩形點焊處保持原有材料厚度，在矩形點焊連接處剝離應使材料去除最少，檢查圓周70個焊點，其點焊處的最小厚度為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程應間歇漸近磨削，避免零件發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，必要時用水冷卻。采用試驗件進行換段分解磨削試驗是非常必要的。剝離過程不得采用強撕的方法，以避免分離產(chǎn)生孔洞。

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

圖4　修理復裝

修理復裝后進行流量試驗，以控制通過火焰筒波紋板空氣的流量，使其達到火焰筒流量設計要求。

3.3掛機考核

將經(jīng)過換段修理的火焰筒裝機進行試車考核，掛機考核后分解檢查未見異常，通過了質(zhì)量驗證試車考核，說明修理工藝可行。

4　結(jié)束語

通過修理工藝驗證，在材料焊接試驗、質(zhì)量風險評估、掛機質(zhì)量考核試車后評審，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，實現(xiàn)了火焰筒的換段修理。

火焰筒換段修理還可應用于新制造火焰筒時，各段存在制造缺陷的補救。新制造件點焊后，在矩形點焊處材料減薄為0.17～0.22mm，段最大減薄0.08mm，補救時只要控制各段矩形點焊的壓痕深度不超過6%，即可保證火焰筒最終的壓痕深度不超過15%，波紋板的壓痕深度最大25%的驗收標準要求。

［1］Rolls-Royce.The jet engine［M］.Derby：Technical Publications Department，Rolls-Royce Plc，1996：288.

［2］Mattingly J D，Heiser W H，Pratt D T.Aircraft engine design［M］.2nd ed.New York：AIAA Education Series，2002：325-415.

［3］Lefebvre A H.Gas turbine combustion［M］.2nd ed.London：Taylor& Francis Group，1999：1-31

［4］Dodds W J，Bahr D W.Design of modern gas turbine combustors［M］. Manhattan：Academic Press，1990：343-476.

［5］李全通，景小寧.某型發(fā)動機火焰筒熱彈塑性/蠕變應力分析［J］.燃氣渦輪試驗與研究，1999，12（1）：40-43. LI Quantong，JING Xiaoning.Stress analysis of thermal elasticity plasticity/creep of combustion liners of a certain type of aero-engine［J］. Test and Research of Gas Turbines，1999，12（1）：40-43.（in Chinese）

［6］鄧明.航空燃氣渦輪發(fā)動機原理與構(gòu)造［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：245-246. DENG Ming.Theory and structure of aero gas turbine engine［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2008：245-246.（in Chinese）

［7］王曉梅，馬蕾.中介機匣典型故障排除及深度修理［J］.航空發(fā)動機，2014，40（6）：68-72. WANG Xiaomei，MA Lei.Removing and deeply repairing of typical failures for intermediate casing［J］.Aeroengine，2014，40（6）：68-72.（in Chinese）

［8］陳光，洪杰，馬艷紅.航空燃氣渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010：331-334. CHEN Guang，HONG Jie，MA Yanhong.Structure of aero gas turbine engine［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2010：331-334.（in Chinese）

［9］李明，謝玉江，王東生.某型航空發(fā)動機火焰筒的組織損傷分析［J］.航空發(fā)動機.2006，32（3）：42-43. LI Ming，XIE Yujiang，WANG Dongsheng.Structure damage analysis of combustion liners of a certain type of aeroengine［J］.Aeroengine，2006，32（3）：42-43.（in Chinese）

［10］航空發(fā)動機設計手冊總編委會編.航空發(fā)動機設計手冊：第5冊［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2002：174-177. General Editorial Committee of Aeroengine Design Manual.Design manual of aerorengine：5th volume［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2002：174-177.（in Chinese）

［11］郭運強，張克實，耿小亮，等.航空發(fā)動機火焰筒疲勞裂紋擴展規(guī)律［J］.航空制造技術(shù)，2006（12）：80-82. GUO Yunqiang，ZHANG Keshi，GENG Xiaoliang，et al.Law of fatigue crack extension of aero-engine flame tubes［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2006（12）：80-82（in Chinese）

［12］陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002：1. CHEN Zhunian.Mannual of welding engineer［M］.Beijing：Mechanical Engineering Press，2002：1（in Chinese）

［13］中國機械工程學會焊接學會編.焊接手冊：第1卷焊接方法及設備［M］.3版.北京：機械工業(yè)出版社，2007：365-476. Welding Division of Chinese Mechanical Engineering Society.Manual of welding（vol.1）：welding method and equipment［M］.3rd ed.Beijing：China Machine Press 2007：365-476.（in Chinese）

［14］李亞江.焊接缺陷分析與對策［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2011：5. LI Yajiang.Analysis and strategy with welding defects［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2011：5（in Chinese）

［15］趙熹華，馮吉才.壓焊方法及設備［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005：8. ZHAO Xihua，F(xiàn)ENG Jicai.Methodology and equipment of pressurized welding［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2005：8.（in Chinese）

（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，研究員級高級工程師，主要從事航空發(fā)動機制造修理工藝技術(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)動機火焰筒矩形點焊換段修理技術(shù)研究［J］.航空發(fā)動機，2016，42（5）：94-97.LIANGJian，ZHAOHai，XUYonggang. Technologystudyonsection-changerepairwithrectangularspotweldingofcombustorlinerforaeroengine［J］.Aeroengine，2016，42（5）：94-97.