淺析鈦合金焊接技術在飛機生產中的應用問題

蓋繼躍

摘 要：高速發展的航空航天高技術制造領域中，鈦合金焊接技術能有效提高連接部位承載能力，保證結構完整，大大提高材料利用率，保證連接部位結構形式的多樣化，應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生產和設計具有一定幫助。

關鍵詞：飛機生產 鈦合金 焊接技術 承載力

中圖分類號：V261.34 文獻標識碼：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。航空航天工業在將近一個世紀發展過程中已經成為實力雄厚、規模巨大的產業。科技進步層出不窮，各種新型材料或者先進材料應用范圍越來越廣，直接推動著經濟發展。其中，具有特殊地位的鈦合金在現代飛機生產業中具有重要作用，在眾多新結構和新材料中，表現出獨特的各種性能的結合，對于這種現代超音速飛機種的重要結構件來說，耐熱性能好、比強度高、密度低、較強的抗腐蝕性則是鈦合金的突出特點。所以，在航空制造領域中，鈦合金的應用范圍正在呈現出不斷擴大的特點，發展極為迅速，這已經是航空航天高技術行業中的僅為重要的結構材料，鈦合金發展能有效促進航空航天工程發展。當前，用焊接技術則是能夠解決重要的制造技術問題的關鍵技術，應該要求在各種各樣條件下的接頭的可工作性。當前，在不斷的科學技術進步的前提下，在高速發展的航空航天高技術制造領域中，更多新型材料應該在新一代的戰斗機中應用。面臨飛速發展的航空特種焊接技術，只有不斷進行創新研究，才能保障先進飛機的結構設計工作，有效推進并實現現代飛機的制造工藝[1，2]。

1 飛機鈦合金焊接結構的技術優勢分析與思考

第一，使得結構完整性和連接部位承載能力有所提高，減重得以實現，有效代替機械連接方式。其中，點焊接頭、T形接頭、對接接頭則是常見的三種焊接形式。應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，從點焊接頭的疲勞壽命來說，由于存在較大的兩板間的應力集中問題，造成其壽命僅為機械連接的一半左右。上述兩種焊接結構，主要能夠實現減重，以及提高工作效率和結構完整性。主承力結構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構的完整性，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械連接中的緊固孔而減少，這樣不可避免造成強度下降20%上下，焊接接頭強度下降僅為10%左右，這樣情況下，機械連接的承載能力則不如焊接結構。相比于機械連接，對接接頭的應力集中系數較低，機械連接的應力集中系數要高于3，相關專家進行研究，對接接頭當量應力集中系數對于表面磨削后的鈦合金來說，其高能束焊當量應力集中系數低于1.5，氬弧焊低于2。所以，相比于機械連接，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。整體鍛造技術可以在大型鈦合金結構中采用，不斷增強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構具有明顯的技術優勢，表現在生產周期、材料利用率、結構重量、以及結構性能方面。相比于鍛件，焊接接頭強度降低為10%左右。所以，補強應該在薄弱部分處理，包括焊縫經過的筋條、緣條等，在整個結構中，對于應力水平較低的焊接接頭來說，應力集中也通過焊后的加工進行消除，這樣在倒角或者轉角位置則會出現最為薄弱的部位，反而不是焊接接頭。這樣，整體鍛造用焊接結構來替代，則不會造成結構性能方面的影響。

分析補強引起結構增重問題，通過某型飛機主承力框的例子進行說明，相比于整體鍛造，焊接結構能夠增重0.2%，基本可以忽略結構增重問題。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+焊接的技術優勢在較為復雜的零件形狀中體現較為明顯，焊接能夠有效使得材料利用率得以提高，但不會使得生產周期縮短。所以，沒有降低結構性能的要求下，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構的關鍵所在，另外，還應該具備一定的較高焊接水平和飛機結構設計水平。

第三，具有多樣化的連接部位結構形式。對于尺寸較大、結構形式復雜的零件，或者無法進行整體鍛造和鑄造的零件來說，另外，加上相關的運動機構、配合精度、裝配空間以及設計空間方面的要求，機械連接無法實現。焊接方法則是在上述情況中最為實用的處理特殊結構的方法，比如，相應的攔阻鉤桿、起落架撐桿作動筒、折疊肋等。

2 鈦合金焊接結構應用發展思考

當前的大型軍用飛機設計中，往往要求高載荷、高機動性、高可靠性和長壽命的大型構件的設計和制造問題，這樣才能滿足飛機在不斷增大的尺寸和速度方面的要求，所以，一個關鍵問題就是相關材料的發展以及其加工制造工藝技術。在現代先進飛機的設計中，從80年代以來，引入相關的損傷容限設計、疲勞耐久性分析等新方法和思路。對于鈦合金材料應用來說，鈦合金焊接結構則是最為重要的研究結構形式，具體包括經濟耐用且工作可靠的焊接結構，其設計制造在各種的低溫、高溫和常溫環境中研究工作，還包括相關的腐蝕介質環境、各種極限環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，進一步分析在各種載荷條件下的接頭的力學性能等問題。誠然，鈦合金焊接結構的性能已經取得一定進展，相關的鈦合金的應力集中敏感性強、韌性不足、耐腐蝕性差、焊接縫組織晶粒粗大等問題都已經解決，也找到了鈦合金焊接結構延遲裂紋的問題，研究相關的鈦合金焊接接頭的氫峰值分布及遷移規律，能夠滿足不同工況要求下的焊接接頭的強度要求，使其保持一定的塑性條件。良好的焊接技術能夠使得結構件焊前的準備時間大大縮短，即保證焊接質量，也有利于處理焊接復雜形狀的結構問題。在這個新結構材料和工藝制造技術發展的黃金時期，一定要努力攻關在發展中的不太完善的新技術和新工藝，通過大量的研究和試驗，完善飛機生產中急需的工藝技術，在新型飛機上廣泛應用上述的新的結構材料和工藝制造技術。

3 結語

在發展成熟的鈦合金焊接技術背景下，一些飛機結構設計的變革都是由其引起，其在飛機生產中具有越來越重要的作用。相比于國外先進國家的飛機生產，我國的鈦合金焊接技術還存在較大差距，特別在焊接過程計算機輔助控制技術方面存在一定問題。還需要解決我國飛機生產中的關鍵問題，比如焊接變形、封閉結構焊接等技術問題。因此，應該加大我國輔助控制技術在飛機結構上應用，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的設計和制造水平。

參考文獻

[1] 王敏，楊磊，于瑛，等.鈦合金T-型結構單面焊背面雙側成形焊接接頭組織與性能[J].航空材料學報，2012，32（1）.

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

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