СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОНОКОЛЕСА ТУРБОМАШИНЫ
METHOD OF TURBO MACHINE INTEGRAL WHEEL

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.
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>л</mi><mtext> прокл</mtext><mtext>.</mtext></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>≥</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>л</mi><mtext> дет max</mtext></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>+</mo><msup><mrow><mn>100</mn></mrow><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>л</mi><mtext> дет max</mtext></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
ocaд
0,2max
торц
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≤0,1σS, где
0,2max
σ - условный предел текучести материала лопатки и диска (или максимальный из двух, если материал лопатки и диска разный),
торц
S - площадь свариваемых торцов,
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>т</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>ц</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>=</mo><mn>0,6</mn><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>л</mi><mtext> дет max</mtext></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
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.
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>л</mi><mtext> прокл</mtext><mtext>.</mtext></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>≥</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>л</mi><mtext> дет max</mtext></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>+</mo><msup><mrow><mn>100</mn></mrow><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>л</mi><mtext> дет max</mtext></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
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.
ocaд
0,2max
торц
Производят осадку диска 3 с усилием F≤0,1σS,
0,2max
где σ - условный предел текучести материала лопатки и диска (или максимальный из двух, если материал лопатки и диска разный),
торц
S - площадь свариваемых торцов,
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>т</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>ц</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>=</mo><mn>0,6</mn><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>л</mi><mtext> дет max</mtext></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
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.