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飛機鈦合金結構特點分析及工藝難點

來源:鈦棒,鈦板,鈦管,鈦絲,鈦設備,鈦合金,鈦材 發布時間:2015-12-3 15:17:55

鈦合金結構材料,由腹板和上下緣條通過角焊縫方式焊接而成,其中鈦板為近似正弦曲線的波紋形,位于上下緣條之中,厚度為2mm、緣條厚度為5mm。結構件需要在緣條兩側施加拉力進行拉伸試驗和疲勞試驗,此時焊縫作為工作焊縫,對缺口很敏感。為了提高結構件強度和疲勞壽命,焊縫質量需滿足I級焊縫標準,并達到焊縫的全焊透。

對該結構進行分析后,發現其焊縫的軌跡具有周期性,這適合于使用編程方式來實現焊縫的自動化焊接,但在焊接過程中會存在以下問題。
(1)為了保證角焊縫的焊接質量,在焊接過程中,一般要求焊槍與緣條平面成一定角度,并垂直于焊縫軌跡,焊槍隨焊接軌跡不斷的擺動,其運動軌跡實際上為空間曲線。要求焊槍夾持機構至少要有5 個自由度,才能滿足自動焊接要求。
(2)波紋腹板的曲率在曲面過渡處的圓弧半徑僅為11mm,在焊接過程中,焊槍隨焊接軌跡不斷地擺動,加上待焊零件表面呈波紋狀凸凹不平,這就使得本應固定在焊槍前端的焊絲填充裝置和跟在焊槍后端的保護拖斗,難以在如此狹小的空間內行走,因此鈦絲的填充和焊縫的保護在這種結構中將十分困難實現。
(3)鈦合金焊接時,有兩大因素對焊縫質量構成嚴重影響。一是高溫下晶粒長大傾向大:鈦合金導熱性差,焊縫和近縫區在高溫下的停留時間長,使晶粒長大進一步加劇;二是高溫下特別是在熔融狀態下,鈦對H、N、O 等氣體元素有很強的化學親和性:由于這些氣體元素的作用,鈦合金表面很容易形成氣體飽和層,在焊縫中形成氣孔,由于氣體元素向鈦合金組織中的滲入和擴散,會導致焊接接頭產生冷裂紋和氫脆,引起結構的低壽命破壞。針對該結構特點和焊接工藝難點進行了試驗,通過采用合適的工藝措施,可獲得了優良的焊縫。

近20年來,隨著焊接技術的研究和應用水平的進步,特別是在材料的焊接性能研究、自動化焊接工藝方法和工藝技術、結構的焊接應力變形控制以及焊接接頭力學性能和可靠性等方面的研究深入和水平提高,在“合于使用”的先進設計理念的引領下,鈦合金焊接結構越來越廣泛地應用到飛機的重要承力結構上。事實上飛機重要承力件采用鈦合金焊接結構的技術優勢,在20世紀七八十年代前蘇聯研制的第3代軍用飛機上即得到了很好的印證,并引起了歐美航空制造界的高度重視。越來越多的資料報道表明,歐美航空制造業已經將鈦合金焊接結構從飛機的次承力結構應用到主承力結構上。鈦合金屬于高Al當量近α型鈦合金,具有與α型鈦合金相當的焊接性能和接近于α+β型鈦合金的工藝塑性,是我國先進飛機焊接用鈦合金的主要材料。

在未來幾年中,對鈦合金的加工需求將快速地增加。在不久的將來,這種材料在飛機中的使用量將大幅度上升。事實上,力航鈦業(www.yukain.com.cn)所指出的那樣,其在波音787飛機中使用的鈦合金量已超過以前所有波音機型的鈦合金使用量的總和。與此同時,這一飛機制造商的競爭對手也同樣在飛機中充分地使用鈦合金材料,還有新型軍用飛機,也在大量地使用著鈦合金。當所有這些飛機全部進進滿負荷生產時,對鈦合金零件的需求量將遠遠超過目前飛機供給鏈中現有的鈦合金加工能力。

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