航空发动机叶片等离子焊修复精确成形控制方法研究

According to the civil airworthiness requirement, the technology of the precision forming for aero-engine blade repair is researched using plasma arc welding in the present situation that aero-engine blade must be repaired abroad. A control method of welding pool precision forming is put forward using high frequency electromagnetic field to overcome the surface tension of welding pool on the blade tip.. The influence mechanism on the welding pool forming precision affected by surface tension, arc force and gravity is to obtain by studying the mechanical behavior of welding pool on the blade tip. To study surface tension varied with heat accumulation and temperature field, for obtaining the actual mechanism of temperature field to welding pool forming precision. To research external electromagnetic force distribution and magnitude in welding pool and its variance with electrical parameters of high frequency magnetic field, and to research welding forming mechanism on external electromagnetic force to blade pool mechanical behavior, for obtaining theoretical basis of precision forming of blade pool. A method is put forward that the electromagnetic force is applied to overcome surface tension ,which is controlled by altering current value of exciting coil. The validity of precise forming control method is verified by contrast experiment. This project could provide a new approach for blade repair precise forming and found the relative theoretical basis.

针对目前民航客机发动机叶片基本上都要送到国外维修的现状，根据民航适航要求，开展发动机叶片的叶尖磨损（或腐蚀）等离子焊精确修复成形技术研究，提出一种基于高频电磁场产生附加分布电磁力克服表面张力变化，获得焊接熔池精确成形的控制方法。. 通过研究叶片这种特殊条件下焊接熔池的力学行为，掌握熔池表面张力、电弧力、重力对熔池成形精度的影响规律；研究叶片修复时热积累和温度场的变化导致表面张力的变化，获得温度场对熔敷成形精度的作用规律；研究外加高频磁场参数对熔池内附加电磁力分布规律和大小的影响，研究附加电磁力对叶片熔池力学行为及对焊缝成形的作用规律，为叶片熔池精确成形磁场控制建立相应的理论基础；提出控制激磁线圈的电流大小，从而实现控制附加电磁力克服表面张力变化的方法，通过对比实验，验证叶片精确成形控制的有效性。本项目旨在为较低成本的叶片修复精确成形提供一条新的途径并建立相应的理论基础。

薄壁零件在航空航天及汽车工业中应用广泛，因其壁厚尺寸小、形状不规则，导致此类零件加工或修复成本较高，精度不易保证。为提高加工精度，缩短产品制造周期，本文结合焊接快速成形方法开展薄壁曲面零件的微束等离子堆焊成形研究，为提高成形精度，抑制熔池在堆焊过程中的“下淌”现象，提出了电磁压力控制熔池精确成形方法。该方法利用外加高频电磁场在熔池中产生电涡流，电涡流在磁场中又受到磁场作用力—电磁压力，从而抵消表面张力对成形的影响，达到精确控制成形的目的。.本文通过建立薄壁零件的数学模型，对薄壁零件微束等离子焊接的熔池形态及流场特性进行研究，发现薄壁轮廓特征导致了熔池区域等温线形状近似为倒梯形；非熔池区域基本水平的独特形态。同时建立了熔池力学平衡方程，通过流场仿真结果表明：在熔池流场特性的主要影响因素中，表面张力和浮力促进了熔池流体向边缘处流动，形成浅而宽的熔池形貌；电磁力使熔池向纵深方向运动，形成深而窄的熔池形貌，且表面张力是影响熔池成形并导致“下淌”的最主要因素。.建立了包含熔滴过渡、熔池自由表面变形及凝固在内的两相流二维轴对称模型，通过修改N-S的源项方程，将固化过程并入了体积力方程中。采用表面张力的简化方程，对表面张力大小、表面张力温度系数以及接触角进行了详细的分析，确定了各参数对于熔池成形的影响规律。.提出利用电磁压力抑制熔池“下淌”的堆焊精确成形控制方法。当励磁线圈通入高频正弦交流电后，会产生感应磁场，同时在导体产生感应电涡流，磁场对电涡流的作用力—电磁压力就会对熔池产生挤压作用，从而实现抑制熔池向两侧下淌。通过建立高频励磁装置的数学模型，得出了合适的励磁线圈结构参数和电参数，以及工件上磁通密度、涡流密度和电磁压力的分布规律，并将此模型通过洛伦兹力方程与焊接过程温度场、流场模型耦合，发现高频电磁场虽然未增加熔池内金属液体的最大流速，但是改变了熔融金属流速的分布趋势。