淺析鈦合金焊接技術(shù)在飛機(jī)生產(chǎn)中的應(yīng)用問題

蓋繼躍

摘 要：高速發(fā)展的航空航天高技術(shù)制造領(lǐng)域中，鈦合金焊接技術(shù)能有效提高連接部位承載能力，保證結(jié)構(gòu)完整，大大提高材料利用率，保證連接部位結(jié)構(gòu)形式的多樣化，應(yīng)該大力開展新的鈦合金焊接方法研究，以其對于我國的飛機(jī)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)具有一定幫助。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)生產(chǎn) 鈦合金 焊接技術(shù) 承載力

中圖分類號：V261.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0073-01

在航天航空方面，最近100年來已經(jīng)取得較大的成功，使得人們的生活方式得以重大改變。航空航天工業(yè)在將近一個(gè)世紀(jì)發(fā)展過程中已經(jīng)成為實(shí)力雄厚、規(guī)模巨大的產(chǎn)業(yè)。科技進(jìn)步層出不窮，各種新型材料或者先進(jìn)材料應(yīng)用范圍越來越廣，直接推動(dòng)著經(jīng)濟(jì)發(fā)展。其中，具有特殊地位的鈦合金在現(xiàn)代飛機(jī)生產(chǎn)業(yè)中具有重要作用，在眾多新結(jié)構(gòu)和新材料中，表現(xiàn)出獨(dú)特的各種性能的結(jié)合，對于這種現(xiàn)代超音速飛機(jī)種的重要結(jié)構(gòu)件來說，耐熱性能好、比強(qiáng)度高、密度低、較強(qiáng)的抗腐蝕性則是鈦合金的突出特點(diǎn)。所以，在航空制造領(lǐng)域中，鈦合金的應(yīng)用范圍正在呈現(xiàn)出不斷擴(kuò)大的特點(diǎn)，發(fā)展極為迅速，這已經(jīng)是航空航天高技術(shù)行業(yè)中的僅為重要的結(jié)構(gòu)材料，鈦合金發(fā)展能有效促進(jìn)航空航天工程發(fā)展。當(dāng)前，用焊接技術(shù)則是能夠解決重要的制造技術(shù)問題的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)該要求在各種各樣條件下的接頭的可工作性。當(dāng)前，在不斷的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的前提下，在高速發(fā)展的航空航天高技術(shù)制造領(lǐng)域中，更多新型材料應(yīng)該在新一代的戰(zhàn)斗機(jī)中應(yīng)用。面臨飛速發(fā)展的航空特種焊接技術(shù)，只有不斷進(jìn)行創(chuàng)新研究，才能保障先進(jìn)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，有效推進(jìn)并實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代飛機(jī)的制造工藝[1，2]。

1 飛機(jī)鈦合金焊接結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢分析與思考

第一，使得結(jié)構(gòu)完整性和連接部位承載能力有所提高，減重得以實(shí)現(xiàn)，有效代替機(jī)械連接方式。其中，點(diǎn)焊接頭、T形接頭、對接接頭則是常見的三種焊接形式。應(yīng)力集中問題則是電焊接頭和T性接頭存在的問題，對于電焊方式更是如此，從點(diǎn)焊接頭的疲勞壽命來說，由于存在較大的兩板間的應(yīng)力集中問題，造成其壽命僅為機(jī)械連接的一半左右。上述兩種焊接結(jié)構(gòu)，主要能夠?qū)崿F(xiàn)減重，以及提高工作效率和結(jié)構(gòu)完整性。主承力結(jié)構(gòu)中可以采用對接接頭，使得螺栓連接完全替代，一方面能夠有效保證結(jié)構(gòu)的完整性，另一方面，則能夠使得連接部位的疲勞性能和承載能力明顯提高。零件的橫截面積由于機(jī)械連接中的緊固孔而減少，這樣不可避免造成強(qiáng)度下降20%上下，焊接接頭強(qiáng)度下降僅為10%左右，這樣情況下，機(jī)械連接的承載能力則不如焊接結(jié)構(gòu)。相比于機(jī)械連接，對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)較低，機(jī)械連接的應(yīng)力集中系數(shù)要高于3，相關(guān)專家進(jìn)行研究，對接接頭當(dāng)量應(yīng)力集中系數(shù)對于表面磨削后的鈦合金來說，其高能束焊當(dāng)量應(yīng)力集中系數(shù)低于1.5，氬弧焊低于2。所以，相比于機(jī)械連接，對接接頭的疲勞性能較高。

第二，材料利用率大大提高，有效代替整體鍛造。整體鍛造技術(shù)可以在大型鈦合金結(jié)構(gòu)中采用，不斷增強(qiáng)鍛造能力能夠使其成為可能。通過對比分析，鍛造+焊接代替整體鍛造結(jié)構(gòu)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，表現(xiàn)在生產(chǎn)周期、材料利用率、結(jié)構(gòu)重量、以及結(jié)構(gòu)性能方面。相比于鍛件，焊接接頭強(qiáng)度降低為10%左右。所以，補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)該在薄弱部分處理，包括焊縫經(jīng)過的筋條、緣條等，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，對于應(yīng)力水平較低的焊接接頭來說，應(yīng)力集中也通過焊后的加工進(jìn)行消除，這樣在倒角或者轉(zhuǎn)角位置則會(huì)出現(xiàn)最為薄弱的部位，反而不是焊接接頭。這樣，整體鍛造用焊接結(jié)構(gòu)來替代，則不會(huì)造成結(jié)構(gòu)性能方面的影響。

分析補(bǔ)強(qiáng)引起結(jié)構(gòu)增重問題，通過某型飛機(jī)主承力框的例子進(jìn)行說明，相比于整體鍛造，焊接結(jié)構(gòu)能夠增重0.2%，基本可以忽略結(jié)構(gòu)增重問題。對比上述兩種工藝的材料利用率和加工周期，可以看出，鍛造+焊接的技術(shù)優(yōu)勢在較為復(fù)雜的零件形狀中體現(xiàn)較為明顯，焊接能夠有效使得材料利用率得以提高，但不會(huì)使得生產(chǎn)周期縮短。所以，沒有降低結(jié)構(gòu)性能的要求下，鍛造+焊接替代整體鍛造能夠有效使得材料利用率有所提高。其中，確定施焊部位則是采用焊接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵所在，另外，還應(yīng)該具備一定的較高焊接水平和飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。

第三，具有多樣化的連接部位結(jié)構(gòu)形式。對于尺寸較大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的零件，或者無法進(jìn)行整體鍛造和鑄造的零件來說，另外，加上相關(guān)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、配合精度、裝配空間以及設(shè)計(jì)空間方面的要求，機(jī)械連接無法實(shí)現(xiàn)。焊接方法則是在上述情況中最為實(shí)用的處理特殊結(jié)構(gòu)的方法，比如，相應(yīng)的攔阻鉤桿、起落架撐桿作動(dòng)筒、折疊肋等。

2 鈦合金焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用發(fā)展思考

當(dāng)前的大型軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)中，往往要求高載荷、高機(jī)動(dòng)性、高可靠性和長壽命的大型構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造問題，這樣才能滿足飛機(jī)在不斷增大的尺寸和速度方面的要求，所以，一個(gè)關(guān)鍵問題就是相關(guān)材料的發(fā)展以及其加工制造工藝技術(shù)。在現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，從80年代以來，引入相關(guān)的損傷容限設(shè)計(jì)、疲勞耐久性分析等新方法和思路。對于鈦合金材料應(yīng)用來說，鈦合金焊接結(jié)構(gòu)則是最為重要的研究結(jié)構(gòu)形式，具體包括經(jīng)濟(jì)耐用且工作可靠的焊接結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)制造在各種的低溫、高溫和常溫環(huán)境中研究工作，還包括相關(guān)的腐蝕介質(zhì)環(huán)境、各種極限環(huán)境中的使用所涉及到一系列綜合問題。如何確定有效的焊接工藝，選擇焊接性能好的材料，進(jìn)一步分析在各種載荷條件下的接頭的力學(xué)性能等問題。誠然，鈦合金焊接結(jié)構(gòu)的性能已經(jīng)取得一定進(jìn)展，相關(guān)的鈦合金的應(yīng)力集中敏感性強(qiáng)、韌性不足、耐腐蝕性差、焊接縫組織晶粒粗大等問題都已經(jīng)解決，也找到了鈦合金焊接結(jié)構(gòu)延遲裂紋的問題，研究相關(guān)的鈦合金焊接接頭的氫峰值分布及遷移規(guī)律，能夠滿足不同工況要求下的焊接接頭的強(qiáng)度要求，使其保持一定的塑性條件。良好的焊接技術(shù)能夠使得結(jié)構(gòu)件焊前的準(zhǔn)備時(shí)間大大縮短，即保證焊接質(zhì)量，也有利于處理焊接復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)問題。在這個(gè)新結(jié)構(gòu)材料和工藝制造技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)期，一定要努力攻關(guān)在發(fā)展中的不太完善的新技術(shù)和新工藝，通過大量的研究和試驗(yàn)，完善飛機(jī)生產(chǎn)中急需的工藝技術(shù)，在新型飛機(jī)上廣泛應(yīng)用上述的新的結(jié)構(gòu)材料和工藝制造技術(shù)。

3 結(jié)語

在發(fā)展成熟的鈦合金焊接技術(shù)背景下，一些飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變革都是由其引起，其在飛機(jī)生產(chǎn)中具有越來越重要的作用。相比于國外先進(jìn)國家的飛機(jī)生產(chǎn)，我國的鈦合金焊接技術(shù)還存在較大差距，特別在焊接過程計(jì)算機(jī)輔助控制技術(shù)方面存在一定問題。還需要解決我國飛機(jī)生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題，比如焊接變形、封閉結(jié)構(gòu)焊接等技術(shù)問題。因此，應(yīng)該加大我國輔助控制技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用，不斷加速新的鈦合金焊接方法研究。這樣才能有效提升我國飛機(jī)的設(shè)計(jì)和制造水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 王敏，楊磊，于瑛，等.鈦合金T-型結(jié)構(gòu)單面焊背面雙側(cè)成形焊接接頭組織與性能[J].航空材料學(xué)報(bào)，2012，32（1）.

[2] 胡愈剛，王曉平，周亮.TC18鈦合金焊接技術(shù)在飛機(jī)起落架制造中的應(yīng)用研究[J].航空制造技術(shù)，2011（16）.

[3] 郭和平，曾元松，韓秀全，等.飛機(jī)鈦合金整體結(jié)構(gòu)的超塑成形/焊接組合工藝技術(shù)[J].焊接，2008（11）.endprint