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大型鈦合金的結件焊接加工工藝

來源:鈦板,鈦棒,鈦管,鈦絲,鈦設備,鈦合金,鈦材 發布時間:2015-12-10 11:36:42
大型整體鈦合金框的投影面積可達4~5m2,通常為雙面加筋的加強框,外形為符合蒙皮走向的變斜角,每面有數十個槽腔結構,腹板較薄,有復雜的加強筋。框的兩側通常具有與機翼連接的耳片結構。框中間通常有2 個較大圓形開口,其邊緣為變斜角,符合發動機的外形。此類框還具有飛機結構件輕質、薄壁、深槽、變斜角外形、高精度等通用特點。總之,此類框不但為難切削材料,而且焊縫多,焊接變形及焊縫收縮量復雜,尺寸大,結構復雜、精度要求高,切除率超過90%,這些特點決定了此類框必須用大型五坐標數控機床加工,數控加工難度和強度均很大。
焊前分段數控加工工藝。焊前分段加工的目的主要是為了保證焊接工序的需要,加工出焊接面、焊接基準,并為焊接變形留有足夠的余量。焊前分段加工的工藝直接影響焊接工藝,影響到焊后整框的變形及加工余量,焊前數控加工工藝需要關注以下方面:
(1)所有焊縫設計為直線,且焊縫兩端各往外延長一些,這樣可以使焊縫的頭端和末端的引弧位置處于零件以外。
(2)焊前加工外形、槽底面和側面都留足夠余量,用來抵消焊后整框的翹曲變形。
(3)焊前焊口面注意留合適的余量,用來抵消焊縫的收縮。
(4)焊口面的垂直度和表面粗糙度精度要高,保證焊接時對接縫隙要足夠小。
(5)為提高切削加工效率,這一階段以大規格尺寸刀具為主,采用機夾式帶涂層可轉位刀具,以大切深、寬切削、快進給,實現高效切削。經實踐證明,上述的焊前加工方案設計總體是成功的,能夠滿足整體框的焊接和加工要求。 
 
焊后整框的數控加工工藝
鈦合金的切削加工瓶頸就是加工效率低,僅為45 號鋼的20%~40%。整體框的數控加工工藝主要考慮切削效率、零件尺寸精度控制、平面度控制和曲面形狀控制。焊后整框工藝規程設計需要采取以下工藝措施:(1)焊接式整體框數控加工之前要對零件焊后變形進行測量,根據測量數據確定加工坐標系的原點。
(2)由于焊接變形和各框段間有錯位, 所以要安排定位基準孔與基準面的修復加工。
(3)加工前銑掉焊接引弧塊,以保證外形加工余量的均勻分布。
(4)此類加工屬重型切削,必須選擇主軸、大扭矩和足夠功率的機床。
(5)槽腔的側面和底面要分別加工。
(6)先加工筋頂面,先三軸后五軸,先面后孔,這樣可以減少崩刃、讓刀,降低孔加工難度。
(7)大型整體框應合并工序,減少翻面。
(8)外形精加工采用焊接式長刃立銑刀,采用小切寬,大切深,一次加工完成,表面粗糙度小。
(9)壓板數量要足夠多,保證裝夾系統和工藝系統的剛度。
(10)選擇可以提高刀具表面硬度、耐高溫、抗磨損、高強度、減小摩擦系數、提高溫度和化學穩定性的涂層。加工過程中應嚴格監控刀具的磨損與破損,及時更換磨損的刀具。
(11)應保持切削液的充分、連續供給。
(12)粗加工側面時,有硬的氧化皮,應采用逆銑,其余處則采用順銑方式較好。
(13)嚴格執行工藝規程中規定的每個程序的切削參數,不能盲目追求加工效率而提高切削速度,確保零件表面不被燒傷。
 
鈦合金框缺陷的修復
1. 微小缺陷的局部修復
鈦合金接頭上的微小缺陷( 如疏松) 的修復是非常輕易的。采用鉆孔或打磨的方法將受影響的區域清理干凈,然后進行填補。需要留意的是一定要確保焊補金屬已經完全填充了修補區。
2. 線性顯示的修復
假如X 光底片顯示疏松已經呈線性顯示,則可以采用表面重熔的辦法進行修復。該表面重熔時所采用的能量應當比先前焊接時所采用的能量要大,以確保將潛伏的疏松均熔化透。假如該方法不奏效,或者該缺陷本身就非常嚴重,則只好將整個焊接區清理干凈,然后重新焊接。這一缺陷的修補費力而且會增加本錢,在操縱時一定要留意保證質量。
3. 變形
由于焊接時局部熱輸進較大,而且鈦合金導熱性差,從而在焊接處四周產生非線性應力。開始時熔池由于金屬被加熱而形成,從而在熔池四周產生應力集中。然而,由于金屬的基體大,而熔池和熱影響區相對區域要小,從而應力在接頭和熱影響區四周累積。假如由于熱膨脹產生的力超過了基體金屬的壓應力,則局部塑性變形就導致結構的永久變形。變形的類型和程度主要受材料的性質、受約束的程度、接頭的設計、添料方式和焊接過程所影響。
4. 基體材料性質
影響變形的基體材料性質主要有熱膨脹系數(系數越大,變形越輕易) 、單位體積的熱容( 熱容越小越輕易變形) 等。由于變形是張應力和材料壓受力相互作用的結果,因此熱膨脹系數對變形程度具有至關重要的影響。簡單的計算和實際操縱發現鈦合金變形的程度位于鋼和不銹鋼之間( 即變形程度稍高于鋼而稍低于奧氏體不銹鋼) 。
5. 抑制夾具
假如零件在焊接時不進行夾持,則它的變形會導致應力得到開釋。因此各種用來防止移動和變形的夾持方法在焊接時得到應用。但需要指出的是,夾持越緊,則在材料中產生的應力越大。所以為了減少變形,首先要使用剛性夾具并在夾具上進行冷卻,從而限制變形;焊接工藝上要采取對稱性的焊接操縱和公道的焊接順序,由于使用了剛性夾具固然使變形得到抑制,但夾具往掉后還會產生新的變形;焊接夾具的壓力一定要均勻,否則也會產生變形。
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