способ изготовления моноколеса турбомашины

Формула изобретения

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 0,1 _0,2S_торц, где _0,2 - условный предел текучести материала лопатки и диска или с усилием F_ocaд 0,1 _0,2maxS_торц, где _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.

Описание изобретения к патенту

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 Т°, где - 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 0,1 _0,2maxS_торц, где

_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 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 , где - 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 0,1 _0,2maxS_торц,

где _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 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.