浅析钛合金焊接技术在飞机生产中的应用问题

盖继跃

摘 要：高速发展的航空航天高技术制造领域中，钛合金焊接技术能有效提高连接部位承载能力，保证结构完整，大大提高材料利用率，保证连接部位结构形式的多样化，应该大力开展新的钛合金焊接方法研究，以其对于我国的飞机生产和设计具有一定帮助。

关键词：飞机生产 钛合金 焊接技术 承载力

中图分类号：V261.34 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（c）-0073-01

在航天航空方面，最近100年来已经取得较大的成功，使得人们的生活方式得以重大改变。航空航天工业在将近一个世纪发展过程中已经成为实力雄厚、规模巨大的产业。科技进步层出不穷，各种新型材料或者先进材料应用范围越来越广，直接推动着经济发展。其中，具有特殊地位的钛合金在现代飞机生产业中具有重要作用，在众多新结构和新材料中，表现出独特的各种性能的结合，对于这种现代超音速飞机种的重要结构件来说，耐热性能好、比强度高、密度低、较强的抗腐蚀性则是钛合金的突出特点。所以，在航空制造领域中，钛合金的应用范围正在呈现出不断扩大的特点，发展极为迅速，这已经是航空航天高技术行业中的仅为重要的结构材料，钛合金发展能有效促进航空航天工程发展。当前，用焊接技术则是能够解决重要的制造技术问题的关键技术，应该要求在各种各样条件下的接头的可工作性。当前，在不断的科学技术进步的前提下，在高速发展的航空航天高技术制造领域中，更多新型材料应该在新一代的战斗机中应用。面临飞速发展的航空特种焊接技术，只有不断进行创新研究，才能保障先进飞机的结构设计工作，有效推进并实现现代飞机的制造工艺[1，2]。

1 飞机钛合金焊接结构的技术优势分析与思考

第一，使得结构完整性和连接部位承载能力有所提高，减重得以实现，有效代替机械连接方式。其中，点焊接头、T形接头、对接接头则是常见的三种焊接形式。应力集中问题则是电焊接头和T性接头存在的问题，对于电焊方式更是如此，从点焊接头的疲劳寿命来说，由于存在较大的两板间的应力集中问题，造成其寿命仅为机械连接的一半左右。上述两种焊接结构，主要能够实现减重，以及提高工作效率和结构完整性。主承力结构中可以采用对接接头，使得螺栓连接完全替代，一方面能够有效保证结构的完整性，另一方面，则能够使得连接部位的疲劳性能和承载能力明显提高。零件的横截面积由于机械连接中的紧固孔而减少，这样不可避免造成强度下降20%上下，焊接接头强度下降仅为10%左右，这样情况下，机械连接的承载能力则不如焊接结构。相比于机械连接，对接接头的应力集中系数较低，机械连接的应力集中系数要高于3，相关专家进行研究，对接接头当量应力集中系数对于表面磨削后的钛合金来说，其高能束焊当量应力集中系数低于1.5，氩弧焊低于2。所以，相比于机械连接，对接接头的疲劳性能较高。

第二，材料利用率大大提高，有效代替整体锻造。整体锻造技术可以在大型钛合金结构中采用，不断增强锻造能力能够使其成为可能。通过对比分析，锻造+焊接代替整体锻造结构具有明显的技术优势，表现在生产周期、材料利用率、结构重量、以及结构性能方面。相比于锻件，焊接接头强度降低为10%左右。所以，补强应该在薄弱部分处理，包括焊缝经过的筋条、缘条等，在整个结构中，对于应力水平较低的焊接接头来说，应力集中也通过焊后的加工进行消除，这样在倒角或者转角位置则会出现最为薄弱的部位，反而不是焊接接头。这样，整体锻造用焊接结构来替代，则不会造成结构性能方面的影响。

分析补强引起结构增重问题，通过某型飞机主承力框的例子进行说明，相比于整体锻造，焊接结构能够增重0.2%，基本可以忽略结构增重问题。对比上述两种工艺的材料利用率和加工周期，可以看出，锻造+焊接的技术优势在较为复杂的零件形状中体现较为明显，焊接能够有效使得材料利用率得以提高，但不会使得生产周期缩短。所以，没有降低结构性能的要求下，锻造+焊接替代整体锻造能够有效使得材料利用率有所提高。其中，确定施焊部位则是采用焊接结构的关键所在，另外，还应该具备一定的较高焊接水平和飞机结构设计水平。

第三，具有多样化的连接部位结构形式。对于尺寸较大、结构形式复杂的零件，或者无法进行整体锻造和铸造的零件来说，另外，加上相关的运动机构、配合精度、装配空间以及设计空间方面的要求，机械连接无法实现。焊接方法则是在上述情况中最为实用的处理特殊结构的方法，比如，相应的拦阻钩杆、起落架撑杆作动筒、折叠肋等。

2 钛合金焊接结构应用发展思考

当前的大型军用飞机设计中，往往要求高载荷、高机动性、高可靠性和长寿命的大型构件的设计和制造问题，这样才能满足飞机在不断增大的尺寸和速度方面的要求，所以，一个关键问题就是相关材料的发展以及其加工制造工艺技术。在现代先进飞机的设计中，从80年代以来，引入相关的损伤容限设计、疲劳耐久性分析等新方法和思路。对于钛合金材料应用来说，钛合金焊接结构则是最为重要的研究结构形式，具体包括经济耐用且工作可靠的焊接结构，其设计制造在各种的低温、高温和常温环境中研究工作，还包括相关的腐蚀介质环境、各种极限环境中的使用所涉及到一系列综合问题。如何确定有效的焊接工艺，选择焊接性能好的材料，进一步分析在各种载荷条件下的接头的力学性能等问题。诚然，钛合金焊接结构的性能已经取得一定进展，相关的钛合金的应力集中敏感性强、韧性不足、耐腐蚀性差、焊接缝组织晶粒粗大等问题都已经解决，也找到了钛合金焊接结构延迟裂纹的问题，研究相关的钛合金焊接接头的氢峰值分布及迁移规律，能够满足不同工况要求下的焊接接头的强度要求，使其保持一定的塑性条件。良好的焊接技术能够使得结构件焊前的准备时间大大缩短，即保证焊接质量，也有利于处理焊接复杂形状的结构问题。在这个新结构材料和工艺制造技术发展的黄金时期，一定要努力攻关在发展中的不太完善的新技术和新工艺，通过大量的研究和试验，完善飞机生产中急需的工艺技术，在新型飞机上广泛应用上述的新的结构材料和工艺制造技术。

3 结语

在发展成熟的钛合金焊接技术背景下，一些飞机结构设计的变革都是由其引起，其在飞机生产中具有越来越重要的作用。相比于国外先进国家的飞机生产，我国的钛合金焊接技术还存在较大差距，特别在焊接过程计算机辅助控制技术方面存在一定问题。还需要解决我国飞机生产中的关键问题，比如焊接变形、封闭结构焊接等技术问题。因此，应该加大我国辅助控制技术在飞机结构上应用，不断加速新的钛合金焊接方法研究。这样才能有效提升我国飞机的设计和制造水平。

参考文献

[1] 王敏，杨磊，于瑛，等.钛合金T-型结构单面焊背面双侧成形焊接接头组织与性能[J].航空材料学报，2012，32（1）.

[2] 胡愈刚，王晓平，周亮.TC18钛合金焊接技术在飞机起落架制造中的应用研究[J].航空制造技术，2011（16）.

[3] 郭和平，曾元松，韩秀全，等.飞机钛合金整体结构的超塑成形/焊接组合工艺技术[J].焊接，2008（11）.endprint