離心壓縮機窄流道葉輪焊接技術研究及應用現狀

1 流道內焊接
1.1 釬焊
　　釬焊葉輪是在蓋盤(或輪盤)上銑制出葉片與輪盤(或蓋盤)之間夾放特殊焊料(釬劑、釬料)的溝槽，用真空爐加熱到超過釬料熔化溫度的方法進行焊接。釬焊葉輪可以獲得較高的接頭強度，適用于高周速葉輪，由于整個零件整體加熱和冷卻，因而變形量很小，精度高；對于窄流道葉輪可以一次同時進行幾個葉輪釬焊。不僅如此，還可以焊接及熱處理同爐進行，從而簡化了工藝過程，提高了生產率。采用的釬料有金鎳合金、鈀基合金、銅合金等。目前釬焊葉輪材料有低合金高強度鋼、高合金高強度不銹鋼和鈦合金等[1]。國內陜鼓[3]、沈鼓[4]、杭氧及美國、原蘇聯、烏克蘭等國[5-11]均在此方面作了大量研究工作，并成功應用于離心壓縮機窄流道葉輪焊接，其葉輪周速可達400m/s或更高。圖2為釬焊葉輪、局部釬焊縫及釬料痕跡。
　　關于葉輪釬焊釬料，目前在世界范圍內被廣泛采用的是金基釬料，特別是BAu82Ni。美國埃里奧特公司還特別為此申請了專利[11]。由于含有貴金屬，目前該釬料成本還較高。前蘇聯使用鈀基釬料PZhK-1000制造全釬焊葉輪，即葉片不是銑制在軸盤（蓋盤）上，全部采用釬焊的方法與軸盤、蓋盤進行連接。前蘇聯制造的釬焊葉輪見圖3。
　　目前，解決釬焊溫度控制、焊口加工精度等問題后，開發低成本釬料以替代目前廣泛使用的貴金屬釬料是該問題的研究熱點。國內陜鼓在低成本釬料的研究方面已取得實質性進展，相信很快將會進行產業化應用。另外，隨著世界經濟的發展，制造業日益向專業化和集成化方向發展，出現了一些專門從事專業化過程處理的公司為壓縮機制造商做配套，Bodycote就是其中之一。Bodycote在世界范圍內多個國家建有專門從事釬焊服務的工廠，為多個壓縮機制造商提供葉輪釬焊服務，目前已在中國開設兩家工廠。
　　對于我國壓縮機制造商，一方面需要根據自身壓縮機產品的使用工況和材料應用情況，合理規劃，有的放矢地進行釬焊技術的開發，包括新材料的應用和新釬料的開發；另一方面也可以統籌資源，利用好這些專業公司提供的服務。

　　今后隨著熟練焊工的減少，預計這種方法的適用范圍將會逐步擴大。
2 流道外焊接
2.1 電弧焊（開槽塞焊）
　　開槽塞焊葉輪是在無重大設備時，解決在流道內無法實現焊接的一種焊接葉輪形式。焊前是由帶有葉片的輪蓋與輪盤兩件組成，由數控加工中心將葉片銑制在輪蓋(輪盤)上，在輪盤(輪蓋)上銑出與葉片相對應的槽，輪蓋與輪盤通過外圓上的配合止口及槽底與葉片的定位銷定位配合，組裝好的葉輪經預熱處理后進行焊接，將葉片與輪盤焊為一體。
　　沈鼓的開槽焊葉輪開槽形式是七十年代引進技術時確定的，通過多年的生產實踐，對開槽形式角度大、銑刀直徑、焊接充填量及變形控制等做了多次改進，通過設備改進和大量的工藝試驗證明葉輪窄槽開槽焊工藝可焊性良好，沈鼓在開槽焊葉輪方面積累了豐富的業績和經驗[13]。
　　國內錦化機和陜鼓也采用此方法解決窄流道葉輪焊接問題。相比國內，美國德萊賽蘭公司率先實現了這類葉輪的焊接自動化技術開發[14]，見圖5。目前沈鼓已實現開槽焊三元流葉輪自動化技術的開發并申請了專利，大大改善了工人勞動強度，提高了生產效率和企業形象。

2.2 等離子弧焊
　　等離子弧焊具有很高的溫度和能量密度，不僅焊透能力和焊接速度很高，而且可利用小孔效應實現單面焊雙面成形。用等離子弧焊代替氬弧焊可提高生產效率，減少填充金屬量；等離子弧焊熔深大，熱影響區小，對焊接性差的材料及雙金屬材料特別適合，且焊接變形小。據文獻[1]介紹，制造窄流道葉輪可以對8mm左右的高強鋼一次焊透，且不用填充焊接金屬材料。
　　目前，利用等離子弧焊接葉輪還鮮有報道，它主要還是被用來進行透平機械的修復工作。Maintenance Partners是歐洲最大的轉子修復公司，隸屬于日本三菱重工，提供壓縮機、汽輪機和燃氣輪機轉子的等離子修復等服務。
2.3 激光焊
　　激光焊是利用激光器產生的高能量熱源進行焊接的一種方法。激光器利用原子受激輻射的原理，使物質受激而產生波長均一、方向一致和強度非常高的光束，通過光學系統將激光束聚焦成尺寸與光波波長相近的極小光斑，其功率密度大，可將材料在瞬間熔化和蒸發。激光焊不產生X射線，不需真空室，熱輸入量小，熱影響區窄，變形小，對各種材料均能焊接[15] ，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循環時間大大低于電子束焊接。
　　但是，由于激光焊接的深寬比較小，一般在10:1以內，不適合大厚度工件的焊接。所以，目前廣泛應用于泵類葉輪的沖壓焊接中[15-16]， 但是在壓縮機葉輪制造領域，還鮮有報道和應用。另外，激光熱源利用率不高也是影響它應用的一個因素。
2.4 電子束焊
　　電子束焊（EBW）是在真空條件下，利用電子槍中產生的電子經加速、聚焦后能量密度為106～109W/cm2的極細束流，高速（光速的60%~70%）沖擊到工件表面，并在極短的時間內，將電子的動能大部分轉換為熱能，使工件被沖擊部位的材料達到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發，達到焊接目的，一次可以焊透400mm[17]。能量集中，熱影響區很窄，高溫停留時間短，焊縫深寬比大，焊接變形小，特別適用于窄流道精密葉輪焊接。這種焊接工藝無需填充金屬，且在Ar氣或真空條件下施焊，對焊接性差的材料可以順利進行焊接，其焊接質量高，容易實現機械化和自動化[18-19]。
　　電子束焊接在大功率、大熔深焊接中具有不可替代的地位，尤其是航空航天器、原子能設備、石化設備、礦山機械、重型汽車等領域[20]。電子束焊接的焊縫很細，其深寬比很容易達到10:1，甚至是20:1。據報道，日本在焊接200 mm厚不銹鋼時，深寬比達70:1[18-19]。
　　但是，由于電子束焊設備投資大，控制精度要求高，目前國內壓縮機行業應用還不多。德國是世界電子束焊接工藝研究及設備制造的基地，igm和P.T.R.這世界兩大電子束焊機制造公司都在德國，目前已在中國開設分公司。烏克蘭巴頓焊接研究所在該領域也享有聲望。而國內北京航空制造工程研究所對該領域的研究主要集中在航空航天領域。
　　圖6為烏克蘭Paton焊接研究所利用電子束焊制造的三元流葉輪。該研究所利用電子束將開槽的蓋盤焊接在帶有銑制葉片的軸盤上，對于未完全熔合的部分，預置高溫釬料進行真空釬焊[21]。

　　EbrazeTM接頭的特征是利用電子束T型盲接頭將蓋盤連接到葉片上，焊接熱熔化預置在蓋盤與葉片頂部的釬料來形成完全融合的界面。圖9為電子束焊、釬焊、EbrazeTM焊接接頭示意圖，相比較而言，電子束焊具有適應任何幾何形狀葉輪焊接的靈活性，但是會在葉根邊緣形成未熔合，真空釬焊為整體加熱，界面過渡層較薄，該公司決定尋求使用該工藝生成完全熔合界面的方法；因此，融合了電子束焊和釬焊的復合工藝（EbrazeTM）正是結合了電子束焊與釬焊的優點，制造出的接頭比傳統焊接和釬焊具有更好的疲勞強度。該工藝的應用不僅降低了單個葉輪的成本，也降低了每年制造給定數量葉輪的整體投資，同時還縮短了焊接一個葉輪的時間。
　　控制熱輸入和焊接的位置對該工藝是非常重要的，因此必須由CNC控制定位和光束參數。由于很少有兩個葉輪是相同的，所以必須為每個葉輪編制專用的數控程序，這是該工藝的不足之處。但是，因為該工藝的精確性和重復性，大大提高了生產率。同時，Ebraze?工藝也比其他傳統的焊接工藝具有較小的熱輸入，從而最大限度地減小葉輪變形，接頭疲勞強度高。因為焊接參數的精確控制和重復性，使得EBraze?制造的葉輪，比其他傳統方法更符合設計要求，從而提高了透平壓縮機的性能。
3 結論
　　1） 研究離心壓縮機窄流道葉輪的焊接技術，是市場對石油化工、氣體等領域真實氣體壓縮機滿足工藝流程的需要；
　　2） 窄流道葉輪焊接技術的開發需根據壓縮機應用的工藝流程的需求，結合材料應用進行規劃；
　　3） 釬焊技術的發展，需從滿足強度、韌性和抗腐蝕的要求外，著眼開發新型釬料以降低釬焊成本，同時減小變形；
　　4） 電子束焊、等離子焊、激光焊和混合Ebraze等高能束流焊接技術是解決窄流道葉輪成型技術的有效方法，國內需跟蹤研究；
　　5） 離心壓縮機窄流道葉輪的成型需實現自動化，以提高加工精度，減輕工人勞動強度，提高生產率；
　　6） 對于我國壓縮機制造商，一方面需要根據自身壓縮機產品的使用工況和材料應用情況，合理規劃，有的放矢地進行窄流道葉輪焊接技術的開發；另一方面也可以統籌資源，利用好社會資源提供的服務。

參 考 文 獻

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