空心结构扩散焊接变形控制方法与流程

本发明涉及焊接，更具体地说，涉及一种空心结构扩散焊接变形控制方法。

背景技术：

1、真空扩散焊接（vacuum diffusion bonding，vdb）是一种在真空环境下，通过施加一定压力和温度，使两个紧密接触的固态金属表面发生原子扩散从而实现冶金连接的先进焊接工艺。由于其在焊接过程中不产生液相或仅产生极少量液相，焊接变形小、接头质量高、可精确控制焊接界面，被广泛应用于航空、航天、核能等高端制造领域，尤其适合钛合金等活泼金属的焊接连接。

2、在航空发动机领域，为减轻结构重量、提高推重比，风扇叶片、整流叶片等关键转动/静止部件越来越多地采用空心结构设计方案。这类空心构件通常由两个（或更多）半坯件经扩散焊接后形成内部空腔，再经后续机械加工达到最终外形尺寸。采用扩散焊接制造空心结构构件，可以在保证结构强度的同时实现显著的减重效果，是航空发动机轻量化制造的重要工艺路线之一。

3、目前针对空心对开结的制造工艺主要是钎焊、扩散焊两种，但是现有的每种工艺方法都有一定的缺点和局限性，具体如下：

4、（1）钎焊工艺可用于上述空心对开结构的制造，但是钎焊的焊缝组织与母材不同，接头强度很难做到与母材等强，从而限制了应用范围。

5、（2）真空扩散焊作为一种固相焊接技术，接头质量高，但其在扩散焊过程中需要材料产生一定的塑性变形，现有解决方案通常为增加焊接面处的余量进而抵消整体的焊接下压量，但空腔中心处的变形与空腔边缘处不统一，导致单纯抬高焊接面的方式，焊后精度无法满足零件要求。

6、因此，迫切需要一种简单、有效、可工程化实施的空心结构扩散焊接变形控制方法，能够在焊接过程中主动补偿内腔区域的变形，使焊接后零件的外表面保持平整，从而保证后续加工余量的均匀性和零件的最终尺寸精度。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、本发明要解决的技术问题是现有技术中空心结构扩散焊接过程中外表面变形难以控制以及焊后精度无法满足零件要求的问题。

3、（二）技术方案

4、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

5、本发明提供一种空心结构扩散焊接变形控制方法，包括以下步骤：

6、步骤一、在待焊接的半坯件上加工内腔，同时在所述半坯件外表面与所述内腔对应位置加工外腔，所述外腔的尺寸小于对应内腔在半坯件外表面投影的尺寸，所述外腔的深度为0.2mm～1mm；

7、步骤二、对加工完成的半坯件待焊表面进行表面处理；

8、步骤三、将表面处理后的两个半坯件装配对齐，置于焊接工装的上下模之间，整体放入真空扩散焊炉中；

9、步骤四、对真空扩散焊炉进行抽真空，按照预设的加热加压曲线对装配好的半坯件进行真空扩散焊焊接，焊接压缩量设置为常规非开外腔结构所对应的焊接压缩量；

10、步骤五、焊接完成后，对产品进行最终机械加工，去除焊接余量及外腔结构，获得成品空心构件。

11、优选地，步骤一中，所述外腔的形状与所述内腔的形状相似，所述外腔在半坯件外表面上的投影完全落入对应内腔在外表面投影的轮廓范围内。

12、优选地，所述外腔的深度为0.3mm～0.8mm。

13、优选地，步骤二中，所述表面处理采用机械方法或化学方法对半坯件待焊表面进行清洁处理。以去除待焊表面的氧化膜、油污及其他污染物，提高焊接界面的洁净度和表面活性，促进焊接过程中界面原子的扩散迁移。

14、优选地，所述机械方法包括研磨处理、抛光处理以及喷砂处理中的至少一种；所述化学方法包括酸洗处理和碱洗处理中的至少一种。具体实施时，可根据半坯件材料的种类、表面状态以及内腔结构的复杂程度，选择合适的表面处理方式或组合多种处理方式。例如，对于钛合金半坯件，可先采用喷砂处理去除表面氧化层，再进行酸洗处理以进一步清洁待焊表面；对于表面粗糙度要求较高的场合，可在喷砂或酸洗处理后增加抛光处理工序。

15、优选地，步骤四中，焊接压缩量设置为常规非开外腔结构所对应的焊接压缩量。所谓常规非开外腔结构，是指在半坯件外表面不加工外腔的情况下，根据材料性质、内腔尺寸和焊接工艺要求通过经验公式或试验确定的焊接压缩量。由于本发明在半坯件外表面加工了外腔结构，在焊接时外腔的变形会抵消掉内腔的变形，从而减缓或消除内腔变形，因此可以采用与常规实心/非开外腔结构相同的焊接压缩量进行焊接，无需因内腔的存在而额外增大压缩量，从而避免了因压缩量过大导致的外表面过度变形问题。

16、优选地，步骤五中，所述最终机械加工包括以下步骤：先去除外腔所在区域的余量使外表面达到设计尺寸，再按照设计要求对焊接后的空心构件内腔及外轮廓进行精加工至最终尺寸。

17、优选地，所述半坯件的材料为钛合金、高温合金或铝合金。其中，钛合金可包括tc4（ti-6al-4v）、tc11、tc17、tc18等常用航空钛合金；高温合金可包括gh4169（inconel 718）、gh3030、k465等镍基或钴基高温合金；铝合金可包括2a14、7a04、7050等航空铝合金。

18、（三）有益效果

19、本发明的上述技术方案至少具有如下优点：

20、1、本发明通过在半坯件外表面与内腔对应位置加工外腔，利用外腔在焊接压力作用下的可控塑性变形来主动补偿内腔区域的外表面塌陷变形。当焊接压力作用于半坯件时，外腔区域由于壁厚减薄、刚度降低，会优先发生塑性变形，这一变形过程恰好抵消了内腔对应区域因压力集中而产生的外表面塌陷趋势，从而使焊接后零件外表面保持平整，变形量显著降低。

21、2、由于外腔的可控变形补偿了内腔区域的变形，本发明可以采用与常规非开外腔（实心）结构相同的焊接压缩量进行焊接，无需因内腔存在而额外增大压缩量，简化了焊接工艺参数的确定过程，降低了工艺调试难度和试焊成本。

22、3、本发明的方法仅需在现有扩散焊接工艺流程中增加一个外腔加工工序和一个外腔去除工序，无需对现有焊接设备和工装进行重大改造，工艺改动小、实施成本低、易于在工业生产中推广应用。同时，本发明适用于钛合金、高温合金、铝合金等多种航空常用材料的空心结构扩散焊接，具有广泛的工程应用前景。

23、4、通过外腔结构的变形补偿作用，焊接后零件的尺寸精度和表面质量得到显著改善，减少了因焊接变形超差导致的零件报废，产品合格率和质量一致性得到明显提高，有利于降低制造成本、提高生产效率。

1.一种空心结构扩散焊接变形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的空心结构扩散焊接变形控制方法，其特征在于，步骤一中，所述外腔的形状与所述内腔的形状相似，所述外腔在半坯件外表面上的投影完全落入对应内腔在外表面投影的轮廓范围内。

3.如权利要求1所述的空心结构扩散焊接变形控制方法，其特征在于，所述外腔的深度为0.3mm～0.8mm。

4.如权利要求1所述的空心结构扩散焊接变形控制方法，其特征在于，步骤二中，所述表面处理采用机械方法或化学方法对半坯件待焊表面进行清洁处理。

5.如权利要求4所述的空心结构扩散焊接变形控制方法，其特征在于，所述机械方法包括研磨处理、抛光处理以及喷砂处理中的至少一种；所述化学方法包括酸洗处理和碱洗处理中的至少一种。

6.如权利要求1所述的空心结构扩散焊接变形控制方法，其特征在于，步骤四中，焊接压缩量设置为常规非开外腔结构所对应的焊接压缩量。

7.如权利要求1所述的空心结构扩散焊接变形控制方法，其特征在于，步骤五中，所述最终机械加工包括以下步骤：先去除外腔所在区域的余量使外表面达到设计尺寸，再按照设计要求对焊接后的空心构件内腔及外轮廓进行精加工至最终尺寸。

8.如权利要求1所述的空心结构扩散焊接变形控制方法，其特征在于，所述半坯件的材料为钛合金、高温合金或铝合金。