PS 9 2016 WWW.pdf 25PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 Lutowanie twarde w wybranych zastosowaniach   w produkcji lotniczej Brazing selected processes in aviation industry Mgr inż. Jacek Baranowski – Bodycote Polska Sp. z o.o., Zakład w Rzeszowie. Autor korespondencyjny/Corresponding author: jacek.baranowski@bodycote.com Streszczenie W artykule przedstawiono problematykę lutowania twar- dego w próżni cienkościennych elementów układów rozdzia- łu powietrza na przykładzie instalacji do samolotów Airbus A318. Opisano podstawowe problemy występujące w proce- sach montażu i lutowania piecowego poszczególnych ele- mentów instalacji. Słowa kluczowe: lutowanie wysokotemperaturowe; lut BNi-2; lutowanie stopu INCONEL 600 Abstract The paper describes the problems of high temperature brazing in vacuum of thin-walled air management systems based on example of air installations for Airbus A318. The basic problems occurring in assembling and high tempera- ture furnace brazing process of the installations have been described. Keywords:  high temperature brazing; BNi-2 brazing filler metal; brazing of INCONEL 600 Wstęp Lutowanie twarde, zwłaszcza lutowanie wysokotempe- raturowe w próżni, jest charakterystycznym procesem spe- cjalnym w przemyśle lotniczym. Technologia ta występuje w przeważającej części w produkcji silników lotniczych w obszarach, takich jak komory spalania, aparaty kierujące, łopatki turbiny, przewody rurowe. Wszędzie tam, gdzie wy- magana jest precyzja połączeń poszczególnych elementów, odpowiednia wytrzymałość tych połączeń zarówno tempe- raturowa, jak i mechaniczna, szerokie zastosowanie znaj- duje proces lutowania wysokotemperaturowego w próżni i w atmosferach kontrolowanych. Bezsprzeczną zaletą tej technologii jest minimalny wpływ na deformację cieplną lu- towanych zespołów, jak i możliwość lutowania w połączeniu z obróbką cieplną. W niniejszym artykule przedstawiono ob- szar zastosowań technologii lutowania w przemyśle lotni- czym, w systemach rozdziału powietrza wykorzystywanych we współpracy z silnikiem lotniczym, jak i w kabinie pasa- żerskiej jako tzw. systemach podtrzymywania życia. Opis zagadnienia Systemy rozdziału powietrza w przeważającym stopniu budowane są w oparciu o stopy na bazie niklu, tzw. super- stopy, najczęściej typu INCONEL 600. Są one stosowane w postaci cienkościennych blach powodujących, że cały ze- spół instalacji ma stosunkowo niewielką masę, co stanowi jeden z najważniejszych czynników w budowie systemów i instalacji lotniczych. Zastosowanie spawania metodą TIG, często ogranicza się do obszarów lub fragmentów insta- Jacek Baranowski lacji i poszczególnych jej komponentów, gdzie deformacje występujące w procesie spawania są w pewnych uzasad- nionych granicach akceptowalne. Natomiast wszędzie tam, gdzie deformacje takie są nie do przyjęcia przez wy- mogi technologiczno- jakościowe, oraz wszędzie tam, gdzie dostęp urządzeń spawalniczych (głowic spawalniczych) do krytycznych miejsc w zespole spawanym jest bardzo utrudniony lub wręcz niemożliwy – swoje zastosowanie znaj- duje proces lutowania twardego, głównie lutowanie piecowe. przeglad Welding Technology Review AWS A5.8 BNi-2 AMS 4777 ES EN 1044 NI 102 DIN 8513 L-Ni2 Handy&Harman Hi-Temp 820 Nicrobraz LM General Electric B50TF204 Allied Signal  EMS 54752-II / 94777 Rolls Royce MSRP 9500/97 Tablica I. Podstawowe oznaczenia normalizacyjne i nazwy handlo- we lutu BNi-2 [4÷6] Table  I. Basic standardization and trade markings of BNi-2 filler metal [4÷6] 26 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 Niemal we wszystkich aplikacjach lutowania piecowego w produkcji systemów rozdziału powietrza wykorzystuje się najczęściej popularny stop lutowniczy BNi-2 na osnowie niklu, wg AMS4777. Poszczególne przykłady elementów instalacji rozdziału powietrza pochodzą wyłącznie z wła- snych doświadczeń produkcyjnych autora. W tablicach I, II i III podano charakterystykę jednego z naj- popularniejszych stopów lutowniczych stosowanych w połą- czeniach elementów instalacji lotniczych, natomiast w tabeli IV zamieszczono skład chemiczny stopu niklu Inconel 600. Ni Cr Si B Fe C P reszta 6,0-8,0 4,0-5,0 2,75-3,50 2,5-3,5 0,06 max 0,02 max Tablica II. Skład chemiczny lutu BNi-2 w % wag. [4,5] Table II. Chemical composition of BFM BNi-2 % of mass [4,5] Solidus [°C] Likwidus [°C] Zakres  temperatury lutowania [°C] Zalecana temperatura lutowania [°C] 970 1000 1010-1175 1065 Tablica III. Podstawowe właściwości lutu BNi-2 [6] Table III. Basic properties of BNI-2 [6] Tablica IV. Skład chemiczny stopu INCONEL 600 [7] Table IV. Chemical composition of INCONEL 600 [7] Inconel Skład chemiczny, % wag. Ni Cr Fe Mn 600 72,0 14,0-17,0 6,0-10,0 1,0 Inconel Skład chemiczny, % wag. Cu Si C S 600 0,5 0,5 0,15 0,015 Wloty do instalacji rozdziału powietrza  dla samolotów typu AIRBUS A318 Pomimo, że lutowanie próżniowe wysokotemperaturowe to właściwie proces standardowy i typowy dla przemysłu lot- niczego, należy zachować odpowiednie warunki w montażu poszczególnych części lub aplikacji materiału lutownicze- go. Na poszczególne fazy całego procesu składają się [3]: – mycie i odtłuszczanie części w alkalicznych roztwo- rach wodnych (z odpowiednimi zatwierdzeniami jako- ściowymi), – odtłuszczanie w acetonie, – montaż i sczepianie metodą zgrzewania oporowego do lutowania (tzw. tack welding), – kontrola szerokości szczeliny lutowniczej, aplikowanie materiału lutowniczego, głównie w postaci pasty za po- mocą dyspenserów, – zabezpieczanie obszarów, gdzie niepożądana jest obec- ność stopionego lutu za pomocą past STOP-OFF, – wykonanie właściwego procesu lutowania piecowego, – kontrola wykonanych połączeń lutowanych. Na rysunku 1 pokazano schemat zespołu wlotu powie- trza, a na rysunku 2 oraz 3 pokazano miejsca dozowania pasty lutowniczej. Przerywaną linią zaznaczono typowe miejsca pokrycia pa- sty STOPP-OFF zapobiegającej nadmiernemu, niekontrolowa- nemu wypływowi lutu podczas cyklu lutowania piecowego. Rys. 1. Poglądowy schemat zespołu wlotu powietrza do instalacji rozdziału powietrza w samolocie Airbus A318 [1] Fig. 1. Dratf scheme of air intake of air management system for Air- bus A318 [1] Rys. 2. Szczegóły aplikowania pasty lutowniczej BNi-2 na wsporni- kach [1] Fig. 2. Details of application of BNi-2 brazing filler metal on brac- kets [1] Rys. 3.  Szczegóły aplikowania pasty lutowniczej BNi-2 na części centralnej wspornika (A). Na zdjęciu widoczne są również punkty zgrzewania oporowego (B) [1] Fig. 3. Details of application of BNi-2 brazing filler metal on central area of bracket (A) [1] and points of tack welding as well (B) [1] Bardzo ważnym czynnikiem przy aplikowaniu pasty lutowniczej jest stała i niezmienna ilość pasty umiesz- czana za pomocą sterowanego automatycznie aplikatora w poszczególnych miejscach. Na rysunkach 4÷7 pokazano przykłady kontrolowanych połączeń lutowanych w zespole wlotu powietrza. W procesie kontroli po lutowaniu piecowym, oprócz sprawdzania i weryfikacji samego procesu obróbki cieplnej (temperatura, czas, ciśnienie), kontroluje się jakość połą- czeń lutowanych, szczególnie wypełnienie szczelin lutowni- czych w złączach. 27PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 Rys. 4. Zespół wlotu powietrza bezpośrednio po cyklu piecowym. Widoczne odpowiednie płyty grafitowe pokryte ceramiką, zapobie- gającą tworzeniu się eutektyki pomiędzy grafitem płyty a częścią lutowaną (A), termopary wsadowe typu N (B) oraz wypalona w pro- cesie piecowym pasta typu STOP-OFF (C) [1] Fig. 4. Air intake assembly after brazing furnace cycle. Visible gra- phite plates coated by ceramic to prevent eutectic melting pheno- mena (A), load thermocouples type N (B) and burned off paste type STOP-OFF during the furnace cycle.(C) [1] Rys. 5. Szczegóły kontroli połączeń lutowanych wsporników (przy- kłady prawidłowych i nieprawidłowych złączy) [1] Fig. 5. Details of inspection of brazed joints of brackets (correct and incorrect examples) [1] Rys. 6. Szczegóły kontroli połączeń lutowanych w części centralnej wspornika (połączenia prawidłowe) [1] Fig. 6. Details of inspection of brazed joints of central area of brac- ket (correct joints) [1] Rys. 7. Szczegóły kontroli połączeń lutowanych w części centralnej wspornika (połączenia nieprawidłowe) [1] Fig. 7. Details of inspection of brazed joints of central area of brac- ket (incorrect joints) [1] Przykłady pozostałych   elementów lutowanych Typowymi innymi elementami w tego typu instalacjach są chłodnice wstępne tzw. precooler’y, których połączenia lutowane pokazano na rysunkach 8÷11. Rys. 8. Element wlotowy chłodnicy wstępnej po lutowaniu [1] Fig. 8. Air intake element of precooler after brazing cycle [1] Rys. 9. Kontrola połączeń lutowanych (prawidłowych) na elemencie wlotowym do chłodnicy wstępnej [1] Fig. 9. Inspection of brazed joints (correct) of air intake element of precooler [1] Rys. 10.  Kontrola połączeń lutowanych (nieprawidłowych) na ele- mencie wlotowym do chłodnicy wstępnej [1] Fig. 10. Inspection of brazed joints (incorrect) on air intake element of precooler [1] Rys. 10. Fragmenty właściwej chłodnicy wstępnej (precooler) instala- cji rozdziału powietrza dla samolotu typu Airbus A318 (a, b). Widocz- ne wykonane połączenia lutowane rurek chłodnicy powietrznej [1] Fig.  10. Fragments of precooler of air management system for Airbus A318 (a, b). Visible brazed joints of tubes of precooler. [1] 28 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 Podsumowanie Pomimo, że opisane powyżej przykłady zastosowania lutowania twardego obejmują standardowy proces technologicz- ny [3], należy zwrócić uwagę na problemy technologiczno-jakościowe wynikające z zastosowanego materiału w posta- ci elementów cienkościennych, które podczas procesu obróbki cieplnej ulegają nieznacznej deformacji. Deformacja ta, ma jednak znaczący wpływ na niekontrolowane powiększanie się szerokości szczeliny lutowniczej, a co za tym idzie, niekon- trolowane wypłynięcie lutu z obszaru lutowanego złącza. Aby zminimalizować to niekorzystne zjawisko należy stosować odpowiednie parametry lutowania tj. czas, prędkość nagrzewania i osiągania temperatury lutowania [1-3], a także stosowa- nie płyt grafitowych o minimalnej rozszerzalności cieplnej, które minimalizują stopień zdeformowania lutowanego zespołu. Nadal jednak technologia lutowania piecowego w próżni jest jedną z najważniejszych technik łączenia elementów instalacji stosowanych we wszelkiego typu konstrukcjach lotniczych. Literatura [1] Baranowski J.: Materiały własne z wdrożonych zastosowań lutowania próżniowego elementów układów rozdziału powietrza dla samolotów typu Airbus A318. [2] Babul T., Baranowski J., Jakubowski J., Kopeć J., Kowalski S., Senkara J.: Lutowanie spoiwem na osnowie złota elementów układów zasilania sil- ników lotniczych, VII Konferencja Naukowo-Techniczna, Olszanica, 2006. [3] Baranowski J., Kopeć J.: Lutowanie twarde części w przemyśle lotni- czym, Przegląd Spawalnictwa, nr 8-9/2004, s. 57-59. [4] European Standard EN1044: Brazing. Filler metals, 1999. [5] The Brazing Book, Lucas-Milhaupt, Inc. /Handy&Harman, USA. [6] Nicrobraz News, Wall Colmonoy Corporation, USA. [7] INCONEL alloy 600, Special Metals Corporation.