Способ изготовления моноколеса турбомашины

Изобретение относится к области авиационной и энергетической промышленности и может быть использовано при изготовлении и ремонте моноколес турбомашин методами стыковой сварки с оплавлением, при этом части моноколес могут быть сделаны как из одинакового, так и из разного материала. Способ включает предварительное изготовление лопаток и диска, а затем последовательную приварку всех лопаток к диску. При этом между свариваемыми торцами лопаток и выступов диска размещают прокладку, выполненную из материала с температурой ликвидуса , где - температура ликвидуса материала свариваемых лопаток и диска, и который с материалами лопаток и диска после сварки образует твердые растворы. Сначала пропускают ток через свариваемые лопатку и диск и одновременно производят осадку диска на лопатку с усилием F_ocaд≤0,1σ_0,2maxS_торц, где σ_0,2max - условный предел текучести материала лопатки и диска, S_торц - площадь свариваемых торцов. При достижении температуры свариваемых торцов осуществляют пропускание тока только через прокладку до достижения температуры ликвидуса материала прокладки, после чего производят окончательную осадку диска. После окончания приварки всех лопаток к диску лопатки подвергают соответствующей механической обработке. Способ позволяет упростить процесс изготовления моноколес и получить надежное сварное соединение с высокими прочностными характеристиками и минимизацией при этом влияния процесса сварки на структуру материала деталей моноколеса. 2 ил.

 

Изобретение относится к области авиационной и энергетической промышленности и может быть использовано при изготовлении, а также и при ремонте моноколес турбомашин (роторов конструкции «блиск») методами стыковой сварки с оплавлением, при этом части моноколес могут быть сделаны как из одинакового, так и из разного материала.

Известны способы изготовления моноколес турбомашин, заключающиеся в присоединении лопаток к диску посредством сварки плавлением, например, с использованием лазерного луча (US 2007017906, В23K 26/20, 2007) или электронного луча (RU 2395376, В23K 15/00, 2010). Недостатком данных способов является образование сварного шва, представляющего собой литую крупнозернистую структуру, которая имеет малую пластичность и, соответственно, низкие усталостно-прочностные характеристики, что снижает надежность и долговечность конструкции моноколеса в целом.

Известен способ производства (или ремонта) моноколес турбомашин линейной сваркой трением, при котором предварительно изготовленные детали (свариваемые лопатки и диск) вводят в контакт между собой с необходимым прижимом и осуществляют их взаимное перемещение для получения нагрева между свариваемыми поверхностями, а после необходимого разогрева - сдавливание (осадку) деталей с требуемым усилием (RU 2456143, В23K 20/12, 2012). Недостатком данного способа является достаточно сложный процесс соединения лопаток с диском, требующий для получения надежного соединения, например, лопаток из монокристаллического материала и диска из поликристаллического материала, определенной пространственной ориентации кристаллических решеток относительно направления приложения усилия сжатия деталей после их разогрева.

Известен также способ изготовления неразъемного рабочего колеса турбины, принятый за прототип и заключающийся в предварительном изготовлении заготовки диска с выступами для присоединения лопаток, соответствующими форме и расположению лопаток, и заготовок лопаток, а затем - последовательном приваривании лопаток к диску путем локального нагрева места сварки в вакууме до температуры течения металла и соответствующем сдавливанием деталей. После осуществления процесса сварки производят необходимую механическую обработку по удалению грата и локальную термообработку той части лопаток, которая подвергалась воздействию процесса сварки, для обеспечения необходимых механических свойств (SU 1819202, В23K 20/00, 1993). Недостатком прототипа является необходимость выполнения сварки в вакуумной камере с обязательной предварительной специальной обработкой свариваемых поверхностей (шлифование, полирование, химическое травление и т.д.), что усложняет процесс получения качественной и долговечной конструкции рабочего колеса.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности получения надежного соединения лопаток с диском с получением высоких прочностных характеристик сварной конструкции моноколеса и минимизация при этом влияния сварочного процесса на структуру материала свариваемых деталей, которые могут быть сделаны как из одинакового, так и из различных материалов, при упрощении процесса изготовления моноколеса.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе изготовления моноколеса турбомашины, включающем предварительное изготовление лопаток с технологическими буртиками со стороны привариваемого торца и диска моноколеса с выступами для присоединения лопаток, соответствующими форме и расположению лопаток, последовательную приварку всех лопаток к диску путем нагрева свариваемых торцов лопатки и выступа диска до заданной температуры посредством пропускания электрического тока и их осадки с образованием грата, который вместе с технологическими буртиками удаляется механической обработкой, лопатки и диск выполняют из одного или разных материалов, приварку лопаток к диску осуществляют в среде защитного газа, при этом перед сваркой между свариваемыми торцами лопаток и выступов диска размещают прокладку, выполненную из материала с температурой ликвидуса $$T_{л\text{ прокл}\text{.}}^0\ge T_{л\text{ дет max}}^0+{100}^{\circ }C$$ Т°, где $$T_{л\text{ дет max}}^0$$ - температура ликвидуса материала свариваемых лопаток и диска или максимальная из двух температур ликвидуса, если их материал разный, и который с материалами лопаток и диска после сварки образует твердые растворы, при этом ту часть прокладки, которая не находится в контакте со свариваемыми торцами, выполняют с площадью поперечного сечения большей, чем площадь поперечного сечения той части прокладки, которая находится в контакте со свариваемыми торцами, а нагрев и осадку осуществляют в несколько этапов: сначала пропускают ток через свариваемые лопатку и диск и одновременно производят осадку с усилием F_ocaд≤0,1σ_0,2maxS_торц, где

σ_0,2max - условный предел текучести материала лопатки и диска (или максимальный из двух, если материал лопатки и диска разный),

S_торц - площадь свариваемых торцов,

при достижении температуры свариваемых торцов $$T_{торц}^0=\mathrm{0,6}{T}_{л\text{ дет max}}^0$$ прекращают пропускание тока через лопатку и диск и осуществляют пропускание тока через прокладку до достижения температуры той части прокладки, которая находится в контакте со свариваемыми торцами, температуры ликвидуса материала прокладки, после чего производят окончательную осадку.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показана схема осуществления приварки лопаток к диску;

на фиг.2 показана прокладка, размещаемая между свариваемыми лопатками и диском.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно изготавливают лопатки 1 с технологическими буртиками 2 со стороны привариваемого торца и диск 3 моноколеса с выступами 4 для присоединения лопаток 1, соответствующими форме и расположению лопаток. Лопатки 1 и диск 3 могут быть выполнены как из одного, так и из разных материалов. Привариваемую лопатку 1 помещают в специальный позиционный кондуктор 5 (показан условно), с помощью которого осуществляют заданное позиционирование лопатки относительно диска 3. При этом диск 3 размещен в специальном поворотном устройстве 6 (показано условно), которое имеет возможность вертикального перемещения посредством штанги 7, связанной с соответствующим приводом 8, например гидроцилиндром. Под технологические буртики 2 устанавливается опора 9, а между свариваемыми торцами лопатки 1 и выступа 4 диска, которые соответствующим образом совмещены между собой, вставляется прокладка 10, выполненная из материала с температурой ликвидуса $$T_{л\text{ прокл}\text{.}}^0\ge T_{л\text{ дет max}}^0+{100}^{\circ }C$$ , где $$T_{л\text{ дет max}}^0$$ - температура ликвидуса материала свариваемых лопаток и диска, если их материал одинаков, или максимальная из двух температур ликвидуса, если их материал разный. Кроме того, материал прокладки 10 выбирается такой, что с материалами лопаток 1 и диска 3 после сварки он образует твердые растворы. Это необходимо для получения качественного сварного соединения на случай, если материал расплавленной прокладки после окончательной осадки частично остается между свариваемыми деталями и смешивается с их материалом. По форме прокладку 10 выполняют так, что та ее часть, которая не находится в контакте со свариваемыми торцами, имеет площадь поперечного сечения больше, чем площадь поперечного сечения той части прокладки, которая находится в контакте со свариваемыми торцами. Это необходимо для сосредоточения нагрева прокладки при пропускании через нее электрического тока в зоне свариваемых торцов, поскольку нагрев проводника обратно пропорционален площади его поперечного сечения. На лопатке 1, диске 3 и прокладке 10 размещают соответствующие токоподводы 11, 12, 13 и 14.

Производят осадку диска 3 с усилием F_ocaд≤0,1σ_0,2maxS_торц,

где σ_0,2max - условный предел текучести материала лопатки и диска (или максимальный из двух, если материал лопатки и диска разный),

S_торц - площадь свариваемых торцов,

путем вертикального перемещения штанги 7 приводом 8 и одновременное пропускание электрического тока между токоподводами 11 и 12 через лопатку 1 и диск 3, что необходимо для более быстрого прогрева свариваемых торцов ввиду достаточно больших размеров свариваемых деталей и значительного теплоотвода через них. Процесс сварки ведут в среде защитного газа, например аргона. При достижении температуры свариваемых торцов $$T_{торц}^0=\mathrm{0,6}{T}_{л\text{ дет max}}^0$$ прекращают пропускание тока по цепи «токоподвод 11 - лопатка 1 - диск 3 - токоподвод 12» и дальнейший нагрев свариваемых торцов осуществляют пропусканием тока через прокладку 10 по токоподводам 13 и 14. Это позволяет уменьшить влияние сварочного нагрева на изменение структуры свариваемых деталей. При достижении температуры той части прокладки 10, которая находится в контакте со свариваемыми торцами, температуры ликвидуса материала прокладки, производят окончательную осадку диска 3 штангой 7 и приводом 8. При этом может производиться контроль заданного расстояния « L» от оси диска 3 до внешнего торца лопатки 1. После окончательной осадки диска 3 расплавленный материал прокладки 10 и часть расплавленного материала лопатки 1 и диска 3 уходят в грат. Процесс приварки одной лопатки завершен, с нее снимается позиционный кондуктор 5, убираются все токоподводы 11-14 и опора 9. Диск 3 поднимается до исходной высоты и поворачивается на заданный угол с помощью поворотного устройства 6. Следующая лопатка размещается в позиционном кондукторе 5 и цикл приварки повторяется. После окончания приварки всех лопаток 1 к диску 3 с лопаток удаляют грат и технологические буртики 2 соответствующей механической обработкой. Контроль за температурой нагрева поверхностей свариваемых деталей может осуществляться бесконтактными способами с помощью, например, тепловизоров.

Предлагаемый способ позволяет упростить процесс изготовления моноколес стыковой сваркой оплавлением и получить надежное сварное соединение с высокими прочностными характеристиками и минимизацией при этом влияния процесса сварки на структуру материала деталей моноколеса.

Способ изготовления моноколеса турбомашины, включающий предварительное изготовление лопаток с технологическими буртиками со стороны привариваемого торца и диска моноколеса с выступами для присоединения лопаток, соответствующими форме и расположению лопаток, последовательную приварку всех лопаток к диску путем нагрева свариваемых торцов лопатки и выступа диска до заданной температуры посредством пропускания электрического тока и их осадки с образованием грата, который вместе с технологическими буртиками удаляют механической обработкой, отличающийся тем, что лопатки и диск выполняют из одного или разных материалов, приварку лопаток к диску осуществляют в среде защитного газа, при этом перед сваркой между свариваемыми торцами лопаток и выступов диска размещают прокладку, выполненную из материала с температурой ликвидуса , где - температура ликвидуса материала свариваемых лопаток и диска или с температурой ликвидуса , где - максимальная из двух температур ликвидуса, если их материал разный и который с материалами лопаток и диска после сварки образует твердые растворы, при этом ту часть прокладки, которая не находится в контакте со свариваемыми торцами, выполняют с площадью поперечного сечения большей, чем площадь поперечного сечения той части прокладки, которая находится в контакте со свариваемыми торцами, а нагрев и осадку осуществляют в несколько этапов, сначала пропускают ток через свариваемые лопатку и диск и одновременно производят осадку с усилием F_ocaд≤0,1σ_0,2S_торц, где σ_0,2 - условный предел текучести материала лопатки и диска или с усилием F_ocaд≤0,1σ_0,2maxS_торц, где σ_0,2max - условный предел текучести материала лопатки и диска, максимальный из двух, если материал лопатки и диска разный, S_торц - площадь свариваемых торцов, при достижении заданной температуры свариваемых торцов прекращают пропускание тока через лопатку и диск и осуществляют пропускание тока через прокладку до достижения температуры той части прокладки, которая находится в контакте со свариваемыми торцами, температуры ликвидуса материала прокладки, после чего производят окончательную осадку.