鈦合金加強框真空電子束焊接應用研究

李曉龍，潘建東，喬忠生，張海

(成都飛機設計研究所 結構研究部，成都 610091)

0 引 言

加強框是飛機結構的一類重要構件，其失效或破壞通常會嚴重影響飛機飛行安全。TC4鈦合金由于其良好的物理性能和力學性能，逐漸成為戰斗機加強框的熱門選材。過去，我國航空工業的鍛造能力不足，鈦合金加強框常被分段設計，采用機械連接或潛弧焊焊接方式組合。機械連接方案裝配關系復雜，需排布較多的緊固件以傳遞載荷，緊固件孔不僅造成框的截面積大幅縮減，也降低了結構效率，增加了結構質量。潛弧焊單面焊接的極限厚度為40 mm，焊縫及熱影響區域較寬[1]，焊縫處應力狀態復雜，且存在熱影響區材料性能降低現象，因此焊接件安全裕度通常設計得比較大[2]。加強框的組合方式選擇，不僅與加強框的質量相關，還與加強框整體性能密切相關，因此，研究鈦合金框段的新型組合方式將有助于設計性能優異的鈦合金加強框。

國內外對鈦合金的焊接工藝進行了大量研究，發現采用真空電子束焊接(Electron Beam Welding，簡稱EBW)技術可獲得性能良好的焊接接頭[3]。真空電子束焊接是利用加速和聚焦的電子束轟擊置于真空中的焊件產生的熱能進行焊接。電子束穿透能力強，可無坡口實現單面大厚度焊接，焊接速度快，焊縫窄而深(如圖1所示)，熱影響區小。

圖1 真空電子束焊接典型焊縫

美國F-22飛機的主承力鈦合金結構大量運用了EBW技術，整機焊縫總長超過3 000 in[4](1 in=0.025 4 m)。但目前，關于鈦合金加強框采用真空電子束焊接方式拼接的研究仍鮮見報道。

本文采用“積木式方法”展開系列試驗研究，通過對EBW焊后熱處理制度的探索、系列的標準試樣試驗驗證獲取試驗數據基礎，并通過短梁試驗、加強框部件試驗以及機上驗證等步驟，完成EBW技術在某型飛機TC4-DT鈦合金加強框設計上的應用。

1 鈦合金加強框設計

鈦合金是伴隨著航空工業快速興起的一種重要結構金屬，具有比強度大、熱穩定性好、耐腐蝕、焊接性能優異等特點。有觀點認為，鈦合金的用量與航空裝備先進性是正相關的。經典機型蘇-27機體結構鈦合金占比約18%，美國第四代戰機F-22鈦合金的用量為機體質量的41%[5]。TC4鈦合金是一種應用廣泛的商用鈦合金，可用于加強框的制造。TC4-DT是一種我國自主研發的中強高損傷容限型鈦合金，其名義成分與TC4相同。

與TC4相比，TC4-DT降低了氧元素的含量，元素Al、V僅在小范圍內波動，如表1所示[6]。間隙元素成分的改變，使TC4-DT具有較高的斷裂韌度(KⅠC)和較低的裂紋擴展率(dα/dN)。準β熱處理可以大幅提升TC4-DT材料的綜合性能[7]。綜上所述，TC4-DT非常符合現代飛機結構設計中，加強框對損傷容限的要求。

表1 TC4與TC4-DT鈦合金成分對比

合理選材是保證加強框性能的必要條件之一，制造方式的選擇同樣與加強框性能密切相關。過去，由于我國鈦合金鍛造能力不足，加強框只能采

取分段鍛件組合的設計方式。國內某兩型飛機TC4鈦合金框，分別用對合、套合方法將各框段連接，如圖2所示。

(a) 框段對合 (b) 框段套合

圖2 鈦合金加強框框段組合

Fig.2 Parts assembly of titanium alloy bulkhead frame

20世紀90年代后，我國引進了潛弧焊焊接技術[1]。某型飛機TA15主承力鈦合金框，采用潛弧焊工藝將6鍛件焊接為整框[8]。

但無論采用機械連接還是潛弧焊焊接方式組合加強框框段，都存在其不足之處。機械連接配合關系復雜、結構效率低，潛弧焊焊縫及焊接影響區寬。隨著我國鍛造能力的不斷提升，整體框等溫精鍛件外形尺寸可達1 570 mm×1 500 mm×80 mm[10]。8萬噸、4萬噸鍛壓機的建成與投產，使我國具備了生產投影面積大于5 m2鈦合金整體框鍛件的能力。整體鍛件金屬流線連續，無連接處應力集中，可靠性高。但超大型整體鈦鍛件模具和工裝成本較高，過度依賴巨型鍛壓機，制造周期長，存在加工風險富集問題。合理控制鍛件尺寸，運用新型焊接技術拼接框段，可作為一種與整體鍛造并存的鈦合金加強框制造方法。

近年來，國內陸續引進了真空電子束焊接技術，這是一種先進的高能束流焊接方法。零件以某種方式焊接在一起，多是出于節約成本或減輕結構質量的需要[9]。將真空電子束焊接應用于TC4-DT鈦合金加強框組合，不僅可以解決增重問題，還能解決焊縫及熱影響區過寬帶來的連接設計問題。因此，在新型飛機加強框設計中探索真空電子束焊接技術的應用意義重大。

2 TC4-DT加強框焊接設計

某型飛機TC4-DT加強框如圖3所示，其承受較大靜載荷、動載荷及交變載荷。

圖3 某TC4-DT加強框板、桿模型(局部)

焊接接頭失效會造成災難性后果，故選定為Ⅰ級焊接。Ⅰ級焊接選取自動化機械完成，易于實現均勻焊縫和較高焊縫質量。焊縫表面應光潔，與母材圓滑過渡；不允許表面缺陷殘留，避免應力集中。

由于焊縫處應力復雜，常規焊接多將焊縫設計為受剪切或受壓縮載荷。EBW可用于特殊拉伸連接[2]，TA15鈦合金框，潛弧焊焊縫正交于框緣條[1]，存在受拉工況。為了簡化對接工藝、提高對合精度，本文選取豎直(z軸方向)對接縫設計。參考相關設計規范，焊縫及影響區的材料性能影響系數為0.9。經過計算分析，框段采取CXC分段，如表2所示。

表2 加強框分鍛件輪廓尺寸

根據Palmgren-Miner線性累積損傷理論[11]，某一應力水平所引起的疲勞損傷正比于該應力水平作用的循環數與同應力水平導致最終破壞所需的載荷循環總數之比。

Palmgren-Miner假設：

(1)

式中：D為疲勞壽命利用比(損傷比)；ni為第i級應力水平的載荷循環數；Ni為在第i級應力水平下出現破壞的載荷循環數；k為分析中所用應力水平數。

從式(1)可以看出：使焊接結構處于較低應力水平可以獲得較高的疲勞壽命。本文焊縫處設計應力水平不超過290 MPa。

為了驗證TC4-DT鈦合金加強框真空電子束焊接技術，獲得相關數據，針對焊后熱處理制度、拉伸強度、斷裂韌度及裂紋擴展率開展一系列驗證試驗。本文遵循試片級、典型元件試驗，部件驗證程序，實現EBW技術的工程化應用。

3 真空電子束焊接試驗驗證研究

3.1 焊后熱處理制度研究

鈦合金力學性能和使用性能不僅取決于相組成，還取決于相的形貌、分布及相的精細結構[12]。金屬部件焊接時，由于焊接處溫度梯度變化、熱膨脹及冷卻等因素，焊接區域會存在復雜的殘余應力，而焊后熱處理是改善焊接區域性能的重要措施[9]。某TC4電子束焊接試片采用特定熱處理措施，可去除85%以上的殘余應力[13]。對不同試樣拉伸強度進行分析，以獲得合適的焊后熱處理制度。自由鍛件EBW拼焊后制備的焊接試樣如圖4所示，部分試驗結果如表3所示。以斷裂延伸率與截面收縮率為主要研究指標，獲得焊后熱處理制度為730 ℃/(3.5 h)。

圖4 EBW拉伸試樣

試驗組焊后熱處理Rm/MPaRP0.2/MPaA/%Z/%備 注1550 ℃/4 h,爐冷826.0769.09.734.2焊縫下部取樣,組平均值2600 ℃/2 h,爐冷820.0725.09.427.2焊縫下部取樣,組平均值3600 ℃/4 h,爐冷836.0760.07.624.8焊縫下部取樣,組平均值4650 ℃/2 h,爐冷860.0803.08.923.8焊縫下部取樣,組平均值5650 ℃/4 h,爐冷887.0797.09.430.7焊縫下部取樣,組平均值6680 ℃/4 h,爐冷813.0710.09.330.4焊縫下部取樣,組平均值7730 ℃/3.5 h,爐冷871.7816.711.845.2焊縫下部取樣,組平均值注:Rm為抗拉強度;RP0.2為屈服強度;A為延伸率;Z為收縮率。

3.2 EBW焊接接頭力學性能試驗研究

以3.1節焊后熱處理制度為基礎，開展對試片拉伸強度、斷裂韌度及裂紋擴展率的研究。選用dα/dN較小的材料，是實現機體結構長壽命和高可靠性的必要條件[14]。在相同的組織類型、應力

比等條件下，TC4-DT鈦合金疲勞裂紋擴展抗力明顯高于TC4鈦合金[15]。本文所有試片均采用同一批次TC4-DT鍛件制造，母材與焊接接頭試片尺寸相同，如圖5所示。試驗在室溫條件下實施，母材與焊接接頭試驗結果如表4所示。

(a) 拉伸試片

(b) 斷裂韌度試樣

(c) 裂紋擴展率試樣

研究項目材料情況試樣數量標的參數結 論拉伸強度鍛件,母材/焊接件,焊縫上、中、下取樣母材9件焊件24件Rm,RP0.2,A,Z焊縫拉伸強度略高于母材,焊縫延伸率相當于母材的60%,其余參數相當斷裂韌度鍛件,母材/焊接件,焊縫上、中、下取樣母材4件焊件8件KⅠC焊接接頭斷裂韌度低于母材

裂紋擴展率研究情況如圖6所示，焊縫上、中、下取樣。

圖6 TC4-DT鈦合金母材與電子束焊接接頭標準CT試樣裂紋擴展

從圖6可以看出：疲勞裂紋擴展曲線重合，表明大厚度電子束焊接接頭從焊縫頂端至焊縫底端抗疲勞裂紋擴展能力與母材相當。

3.3 四點彎曲加載梁試驗研究

3.3.1 短梁局部參數優化設計

四點彎曲加載短梁：緣條受拉、壓，腹板受剪，符合加強框典型載荷特征。最初，短梁試驗件焊縫處上、下緣條厚度尺寸相同。加載試驗以上緣條受壓失穩形式失效(無法考核焊縫力學性能)，試驗件及分析如圖7所示。而后，對短梁緣條參數改進設計，如圖8所示，以確保短梁下緣條以焊縫處或近焊縫受拉破壞形式失效。

(a) 短梁試驗件

(b) 加載應力分析

(a) 改進后的短梁試驗件

(b) 加載應力分析

3.3.2 短梁組試驗結果分析

根據3.3.1中的結果，調整部分參數，設計若干組短梁對比試驗。短梁對稱位置處的截面參數如圖9所示，電子束焊縫被設計在短梁對稱位置處。圖9中，長度A和B的取值如表5所示。

圖9 短梁試驗件

長度A/mm長度B/mm606052603060

焊接結構疲勞破壞通常起源于焊接接頭應力集中區，焊接接頭中通常存在未焊透、夾雜、咬邊、裂紋等焊接缺陷，焊接結構疲勞實際為細節部位疲勞問題[16]。短梁成組試驗如表6所示，從現場觀察結果來看，焊縫表面劃痕造成短梁過早失效，故獲得的有效試驗數據較為有限。

表6 短梁成組試驗

短梁靜力試驗照片及結果如圖10所示。

(a) 試驗照片

(b) 試驗結果

從圖10可以看出：真空電子束焊接接頭拉伸強度略高于母材。

52 mm寬的緣條焊接試驗件疲勞破壞情況如圖11所示，正弦波加載、應力比為0.1。

圖11 緣條52 mm寬電子束焊接疲勞試驗件

短梁下緣條最大循環應力為650 MPa。按照HB5287成組試驗法，緣條52 mm寬母材/EBW短梁試驗結果如表7所示。從工程應用角度講，需要大量的試驗數據作為依據，才能獲得可信度高的曲線。在試驗數據有限的情況下，可行的方法是測定具有50%可靠度的中值疲勞壽命，并據此對焊接接頭的疲勞性能進行評定[17]。本文中，具有95%置信度的EBW焊件短梁中值疲勞壽命為母材短梁中值疲勞壽命的84.4%。

表7 緣條52 mm寬短梁試驗結果

3.4 焊接加強框工程應用

以短梁試驗為基礎，TC4-DT鈦合金加強框框段EBW焊接件隨后完成了部段試驗。目前，EBW焊接加強框已經通過全機靜力試驗，并經千余飛行小時監測無異常。該方案同機械連接預案相比，減重比率約為2.56%。

4 結 論

(1) TC4-DT鍛件EBW接頭采用730 ℃保溫3.5 h的焊后熱處理制度，可以大幅提升焊接接頭性能。

(2) TC4-DT鍛件EBW接頭的拉伸強度略高于母材，斷裂延伸率與斷裂韌度略低于母材，裂紋擴展率與母材相當。

(3) 真空電子束焊接技術可用于鈦合金加強框框段組合設計，是替代機械連接與潛弧焊焊接的有效手段，且質量收益顯著。

目前，對鈦合金加強框采用EBW技術的研究仍很有限，需進一步就分析方法和數值模擬加大研究力度。對于EBW焊接中表層氣孔的修復問題，仍然缺乏統一的修復標準。對于EBW鈦合金加強框在機型中服役的情況，也需要長期的跟蹤研究。