鈦合金加強(qiáng)框真空電子束焊接應(yīng)用研究

李曉龍，潘建東，喬忠生，張海

(成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 結(jié)構(gòu)研究部，成都 610091)

0 引 言

加強(qiáng)框是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的一類重要構(gòu)件，其失效或破壞通常會(huì)嚴(yán)重影響飛機(jī)飛行安全。TC4鈦合金由于其良好的物理性能和力學(xué)性能，逐漸成為戰(zhàn)斗機(jī)加強(qiáng)框的熱門(mén)選材。過(guò)去，我國(guó)航空工業(yè)的鍛造能力不足，鈦合金加強(qiáng)框常被分段設(shè)計(jì)，采用機(jī)械連接或潛弧焊焊接方式組合。機(jī)械連接方案裝配關(guān)系復(fù)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(jié)構(gòu)效率，增加了結(jié)構(gòu)質(zhì)量。潛弧焊單面焊接的極限厚度為40 mm，焊縫及熱影響區(qū)域較寬[1]，焊縫處應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，且存在熱影響區(qū)材料性能降低現(xiàn)象，因此焊接件安全裕度通常設(shè)計(jì)得比較大[2]。加強(qiáng)框的組合方式選擇，不僅與加強(qiáng)框的質(zhì)量相關(guān)，還與加強(qiáng)框整體性能密切相關(guān)，因此，研究鈦合金框段的新型組合方式將有助于設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的鈦合金加強(qiáng)框。

國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦合金的焊接工藝進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)采用真空電子束焊接(Electron Beam Welding，簡(jiǎn)稱EBW)技術(shù)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(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接。電子束穿透能力強(qiáng)，可無(wú)坡口實(shí)現(xiàn)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(qū)小。

圖1 真空電子束焊接典型焊縫

美國(guó)F-22飛機(jī)的主承力鈦合金結(jié)構(gòu)大量運(yùn)用了EBW技術(shù)，整機(jī)焊縫總長(zhǎng)超過(guò)3 000 in[4](1 in=0.025 4 m)。但目前，關(guān)于鈦合金加強(qiáng)框采用真空電子束焊接方式拼接的研究仍鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文采用“積木式方法”展開(kāi)系列試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)EBW焊后熱處理制度的探索、系列的標(biāo)準(zhǔn)試樣試驗(yàn)驗(yàn)證獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并通過(guò)短梁試驗(yàn)、加強(qiáng)框部件試驗(yàn)以及機(jī)上驗(yàn)證等步驟，完成EBW技術(shù)在某型飛機(jī)TC4-DT鈦合金加強(qiáng)框設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。

1 鈦合金加強(qiáng)框設(shè)計(jì)

鈦合金是伴隨著航空工業(yè)快速興起的一種重要結(jié)構(gòu)金屬，具有比強(qiáng)度大、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕、焊接性能優(yōu)異等特點(diǎn)。有觀點(diǎn)認(rèn)為，鈦合金的用量與航空裝備先進(jìn)性是正相關(guān)的。經(jīng)典機(jī)型蘇-27機(jī)體結(jié)構(gòu)鈦合金占比約18%，美國(guó)第四代戰(zhàn)機(jī)F-22鈦合金的用量為機(jī)體質(zhì)量的41%[5]。TC4鈦合金是一種應(yīng)用廣泛的商用鈦合金，可用于加強(qiáng)框的制造。TC4-DT是一種我國(guó)自主研發(fā)的中強(qiáng)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(nèi)波動(dòng)，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(kuò)展率(dα/dN)。準(zhǔn)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(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，加強(qiáng)框?qū)p傷容限的要求。

表1 TC4與TC4-DT鈦合金成分對(duì)比

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

取分段鍛件組合的設(shè)計(jì)方式。國(guó)內(nèi)某兩型飛機(jī)TC4鈦合金框，分別用對(duì)合、套合方法將各框段連接，如圖2所示。

(a) 框段對(duì)合 (b) 框段套合

圖2 鈦合金加強(qiáng)框框段組合

Fig.2 Parts assembly of titanium alloy bulkhead frame

20世紀(jì)90年代后，我國(guó)引進(jìn)了潛弧焊焊接技術(shù)[1]。某型飛機(jī)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(wú)論采用機(jī)械連接還是潛弧焊焊接方式組合加強(qiáng)框框段，都存在其不足之處。機(jī)械連接配合關(guān)系復(fù)雜、結(jié)構(gòu)效率低，潛弧焊焊縫及焊接影響區(qū)寬。隨著我國(guó)鍛造能力的不斷提升，整體框等溫精鍛件外形尺寸可達(dá)1 570 mm×1 500 mm×80 mm[10]。8萬(wàn)噸、4萬(wàn)噸鍛壓機(jī)的建成與投產(chǎn)，使我國(guó)具備了生產(chǎn)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(xù)，無(wú)連接處應(yīng)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(guò)度依賴巨型鍛壓機(jī)，制造周期長(zhǎng)，存在加工風(fēng)險(xiǎn)富集問(wèn)題。合理控制鍛件尺寸，運(yùn)用新型焊接技術(shù)拼接框段，可作為一種與整體鍛造并存的鈦合金加強(qiáng)框制造方法。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)陸續(xù)引進(jìn)了真空電子束焊接技術(shù)，這是一種先進(jìn)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(jié)約成本或減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的需要[9]。將真空電子束焊接應(yīng)用于TC4-DT鈦合金加強(qiáng)框組合，不僅可以解決增重問(wèn)題，還能解決焊縫及熱影響區(qū)過(guò)寬帶來(lái)的連接設(shè)計(jì)問(wèn)題。因此，在新型飛機(jī)加強(qiáng)框設(shè)計(jì)中探索真空電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用意義重大。

2 TC4-DT加強(qiáng)框焊接設(shè)計(jì)

某型飛機(jī)TC4-DT加強(qiáng)框如圖3所示，其承受較大靜載荷、動(dòng)載荷及交變載荷。

圖3 某TC4-DT加強(qiáng)框板、桿模型(局部)

焊接接頭失效會(huì)造成災(zāi)難性后果，故選定為Ⅰ級(jí)焊接。Ⅰ級(jí)焊接選取自動(dòng)化機(jī)械完成，易于實(shí)現(xiàn)均勻焊縫和較高焊縫質(zhì)量。焊縫表面應(yīng)光潔，與母材圓滑過(guò)渡；不允許表面缺陷殘留，避免應(yīng)力集中。

由于焊縫處應(yīng)力復(fù)雜，常規(guī)焊接多將焊縫設(shè)計(jì)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(jiǎn)化對(duì)接工藝、提高對(duì)合精度，本文選取豎直(z軸方向)對(duì)接縫設(shè)計(jì)。參考相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，焊縫及影響區(qū)的材料性能影響系數(shù)為0.9。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，框段采取CXC分段，如表2所示。

表2 加強(qiáng)框分鍛件輪廓尺寸

根據(jù)Palmgren-Miner線性累積損傷理論[11]，某一應(yīng)力水平所引起的疲勞損傷正比于該應(yīng)力水平作用的循環(huán)數(shù)與同應(yīng)力水平導(dǎo)致最終破壞所需的載荷循環(huán)總數(shù)之比。

Palmgren-Miner假設(shè)：

(1)

式中：D為疲勞壽命利用比(損傷比)；ni為第i級(jí)應(yīng)力水平的載荷循環(huán)數(shù)；Ni為在第i級(jí)應(yīng)力水平下出現(xiàn)破壞的載荷循環(huán)數(shù)；k為分析中所用應(yīng)力水平數(shù)。

從式(1)可以看出：使焊接結(jié)構(gòu)處于較低應(yīng)力水平可以獲得較高的疲勞壽命。本文焊縫處設(shè)計(jì)應(yīng)力水平不超過(guò)290 MPa。

為了驗(yàn)證TC4-DT鈦合金加強(qiáng)框真空電子束焊接技術(shù)，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，針對(duì)焊后熱處理制度、拉伸強(qiáng)度、斷裂韌度及裂紋擴(kuò)展率開(kāi)展一系列驗(yàn)證試驗(yàn)。本文遵循試片級(jí)、典型元件試驗(yàn)，部件驗(yàn)證程序，實(shí)現(xiàn)EBW技術(shù)的工程化應(yīng)用。

3 真空電子束焊接試驗(yàn)驗(yàn)證研究

3.1 焊后熱處理制度研究

鈦合金力學(xué)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(xì)結(jié)構(gòu)[12]。金屬部件焊接時(shí)，由于焊接處溫度梯度變化、熱膨脹及冷卻等因素，焊接區(qū)域會(huì)存在復(fù)雜的殘余應(yīng)力，而焊后熱處理是改善焊接區(qū)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(yīng)力[13]。對(duì)不同試樣拉伸強(qiáng)度進(jìn)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(yàn)結(jié)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(biāo)，獲得焊后熱處理制度為730 ℃/(3.5 h)。

圖4 EBW拉伸試樣

試驗(yàn)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(qiáng)度;RP0.2為屈服強(qiáng)度;A為延伸率;Z為收縮率。

3.2 EBW焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)研究

以3.1節(jié)焊后熱處理制度為基礎(chǔ)，開(kāi)展對(duì)試片拉伸強(qiáng)度、斷裂韌度及裂紋擴(kuò)展率的研究。選用dα/dN較小的材料，是實(shí)現(xiàn)機(jī)體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)壽命和高可靠性的必要條件[14]。在相同的組織類型、應(yīng)力

比等條件下，TC4-DT鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)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(yàn)在室溫條件下實(shí)施，母材與焊接接頭試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

(a) 拉伸試片

(b) 斷裂韌度試樣

(c) 裂紋擴(kuò)展率試樣

研究項(xiàng)目材料情況試樣數(shù)量標(biāo)的參數(shù)結(jié) 論拉伸強(qiáng)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(qiáng)度略高于母材,焊縫延伸率相當(dāng)于母材的60%,其余參數(shù)相當(dāng)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)CT試樣裂紋擴(kuò)展

從圖6可以看出：疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)展能力與母材相當(dāng)。

3.3 四點(diǎn)彎曲加載梁試驗(yàn)研究

3.3.1 短梁局部參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

四點(diǎn)彎曲加載短梁：緣條受拉、壓，腹板受剪，符合加強(qiáng)框典型載荷特征。最初，短梁試驗(yàn)件焊縫處上、下緣條厚度尺寸相同。加載試驗(yàn)以上緣條受壓失穩(wěn)形式失效(無(wú)法考核焊縫力學(xué)性能)，試驗(yàn)件及分析如圖7所示。而后，對(duì)短梁緣條參數(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)，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(yàn)件

(b) 加載應(yīng)力分析

(a) 改進(jìn)后的短梁試驗(yàn)件

(b) 加載應(yīng)力分析

3.3.2 短梁組試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)3.3.1中的結(jié)果，調(diào)整部分參數(shù)，設(shè)計(jì)若干組短梁對(duì)比試驗(yàn)。短梁對(duì)稱位置處的截面參數(shù)如圖9所示，電子束焊縫被設(shè)計(jì)在短梁對(duì)稱位置處。圖9中，長(zhǎng)度A和B的取值如表5所示。

圖9 短梁試驗(yàn)件

長(zhǎng)度A/mm長(zhǎng)度B/mm606052603060

焊接結(jié)構(gòu)疲勞破壞通常起源于焊接接頭應(yīng)力集中區(qū)，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(jié)構(gòu)疲勞實(shí)際為細(xì)節(jié)部位疲勞問(wèn)題[16]。短梁成組試驗(yàn)如表6所示，從現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果來(lái)看，焊縫表面劃痕造成短梁過(guò)早失效，故獲得的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為有限。

表6 短梁成組試驗(yàn)

短梁靜力試驗(yàn)照片及結(jié)果如圖10所示。

(a) 試驗(yàn)照片

(b) 試驗(yàn)結(jié)果

從圖10可以看出：真空電子束焊接接頭拉伸強(qiáng)度略高于母材。

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

圖11 緣條52 mm寬電子束焊接疲勞試驗(yàn)件

短梁下緣條最大循環(huán)應(yīng)力為650 MPa。按照HB5287成組試驗(yàn)法，緣條52 mm寬母材/EBW短梁試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。從工程應(yīng)用角度講，需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，才能獲得可信度高的曲線。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限的情況下，可行的方法是測(cè)定具有50%可靠度的中值疲勞壽命，并據(jù)此對(duì)焊接接頭的疲勞性能進(jìn)行評(píng)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(yàn)結(jié)果

3.4 焊接加強(qiáng)框工程應(yīng)用

以短梁試驗(yàn)為基礎(chǔ)，TC4-DT鈦合金加強(qiáng)框框段EBW焊接件隨后完成了部段試驗(yàn)。目前，EBW焊接加強(qiáng)框已經(jīng)通過(guò)全機(jī)靜力試驗(yàn)，并經(jīng)千余飛行小時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)異常。該方案同機(jī)械連接預(yù)案相比，減重比率約為2.56%。

4 結(jié) 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(qiáng)度略高于母材，斷裂延伸率與斷裂韌度略低于母材，裂紋擴(kuò)展率與母材相當(dāng)。

(3) 真空電子束焊接技術(shù)可用于鈦合金加強(qiáng)框框段組合設(shè)計(jì)，是替代機(jī)械連接與潛弧焊焊接的有效手段，且質(zhì)量收益顯著。

目前，對(duì)鈦合金加強(qiáng)框采用EBW技術(shù)的研究仍很有限，需進(jìn)一步就分析方法和數(shù)值模擬加大研究力度。對(duì)于EBW焊接中表層氣孔的修復(fù)問(wèn)題，仍然缺乏統(tǒng)一的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于EBW鈦合金加強(qiáng)框在機(jī)型中服役的情況，也需要長(zhǎng)期的跟蹤研究。