CN106425309A - 一种钛合金折叠翼面的加工制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金折叠翼面的加工制造方法,属于焊接技术领域,该方法能够解决钛合金超音速导翼面面高连接强度、高精度外形与加工工艺性差的矛盾,该方法包括蒙皮内嵌式翼面结构设计和电子束焊的焊接工艺方法的优化焊接顺序;可以解决超声速导翼面面的高精度外形、高连接强度技术难题,具有良好的加工工艺性及经济性。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域,涉及翼面蒙皮、骨架连接结构及连接方法,尤其涉及一种蒙皮内嵌式翼面连接结构和点焊+电子束焊连接工艺方法。
背景技术
在航天航空加工制造领域,弹翼翼面通常采用铝合金蒙皮铆接、复合材料粘接等加工方法,随着对武器速度的不断提高,超音速导弹的材料被比强度高的钛合金所取代,连接结构方式由铆接、粘接改为焊接结构。为保证导弹在高速状态下安全稳定飞行,准确命中目标,设计对复杂异形面的翼面焊接质量和外形精度提出了严格要求,焊缝强度以及翼面外形精度控制是加工制造中的主要难点,成为超音速导翼面面制造的主要关键技术之一。
一般钛合金翼面结构由骨架、薄蒙皮组成,骨架为细长杆桁架类机加零件,薄蒙皮为钣金件,蒙皮铺设到骨架上,形成搭接接头,两者通过焊接方法连接,承受剪切载荷。国内翼面焊接较为常用的方案主要有:氩弧焊、滚点焊,蒙皮与骨架电子束(激光)钉接方式,其缺点有:在连接强度上,蒙皮与骨架周圈接头无论是采用滚焊或是激光焊焊接,连接的搭接接头均承受剪切力,承载能力不高,在3-5倍音速飞行的导弹处于约500℃工作环境下,翼面承受高速气流的冲击,蒙皮与骨架的搭接接头易撕开;在外形精度上,骨架本身为细长杆桁架类零件,刚性不强,采用氩弧焊或滚焊会产生较大的焊接变形,外形精度方面不能完全满足超音速飞行要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种钛合金折叠翼面的加工制造方法,解决钛合金超音速导翼面面高连接强度、高精度外形与加工工艺性差的矛盾,该方法包括一种蒙皮内嵌式翼面结构和电子束焊的焊接工艺方法。
本发明的技术方案是:一种钛合金折叠翼面的加工制造方法,该方法包括如下步骤:
(一)“蒙皮内嵌式”结构设计
(1)翼面由蒙皮和骨架组成,蒙皮是0.8mm-2mm厚度钛合金蒙皮;
(2)骨架为细长杆桁架结构,骨架中间连接筋条;骨架上有用于安装蒙皮的下陷槽;下陷槽深度与蒙皮厚度一致,下陷槽内轮廓与蒙皮外轮廓一致;
(3)蒙皮安装到骨架下限槽内,安装后蒙皮外型面与骨架外型齐平;
(二)焊前准备
对钛合金蒙皮与骨架进行酸洗,去除零件表面的氧化膜、非金属杂质;
(三)蒙皮周圈与骨架电子束定位焊
将骨架外周压紧,并将蒙皮与骨架定位,使翼面翼缘在焊接受热时始终保持平直状态,进行蒙皮周圈与骨架电子束定位焊;
(四)在步骤(三)之后,蒙皮中部与骨架的筋条点焊连接
(五)在步骤(四)之后,蒙皮周圈与骨架电子束正式焊接
将骨架外周压紧,使翼面翼缘在焊接受热时始终保持平直状态,进行蒙皮周圈与骨架电子束正式焊接。
(六)焊后X射线检测
对蒙皮周圈与骨架电子束焊缝进行X射线检查。
优选地,蒙皮由1.8mm厚度钛合金蒙皮折弯或热成形而成,周边留有少量余量,装配前修配去除。
优选地,骨架为细长杆桁架结构,采取铸造成型,骨架内部中空,骨架内部中间设计筋条。
优选地,筋条为工字梁结构,筋条用于与蒙皮中部点焊连接。
本发明的有益效果是:
本发明的一种“蒙皮内嵌式”新型钛合金翼面及焊接工艺方法,可以解决超声速导翼面面的高精度外形、高连接强度技术难题,具有良好的加工工艺性及经济性。
本发明一种蒙皮内嵌式翼面结构,并点焊、电子束过程的压紧,实现折叠翼面复杂结构的连接,焊后各项指标满足设计要求。
附图说明
图1“蒙皮内嵌式”结构钛合金翼面结构示意;
图2图1中A-A放大图
图3图1中B-B旋转放大图
图4蒙皮内嵌式钛合金翼面加工制造方法流程图;
图5斜坡面点焊限位原理示意图;
图6翼根定位器。
图1中,1—蒙皮,2—骨架,3—筋条;图5中,4—上电极(常规电极),5—下电极(万向电极),6—点焊限位工装;图6中,7—压紧螺钉,8—活动杆,9—可拆卸定位销,10-支座,11-电子束焊位置,12-电焊位置,13-电极限位孔,14-绝缘装置,15-斜坡面工件。
具体实施方式
下面对本发明进一步详细地描述。
本发明的一种钛合金折叠翼面的的加工制造方法,具体特点如下:
(1)翼面由蒙皮和骨架组成,蒙皮是0.8-2mm厚度钛合金蒙皮。
(2)骨架为细长杆桁架结构,骨架中间连接筋条,强度高而重量轻,骨架上加工蒙皮安装下陷。
进一步地,骨架中空,中间设计筋条3工字梁结构,强度高而重量轻,筋条厚度a、b为4-6mm,宽度L为8mm-12mm,用于与蒙皮中部点焊连接。
(3)蒙皮安装到骨架下限内,安装后其外型面与骨架外型齐平,称之为“蒙皮内嵌式结构”。该结构将翼面的外形轮廓与其骨架合为一体,将原来主要靠焊接保证外形精度改为主要由机加保证,外形精度得到了大大提高;同时将传统上蒙皮周边与骨架的搭接接头,更改为锁底对接接头。
(4)蒙皮周圈与骨架采用电子束焊接方法连接,大大提高蒙皮与骨架的连接强度,使得其承受拉伸载荷能力更强。
进一步地,同时压紧周边控制变形,通过可调节的翼根定位器实现电子束定位焊接和正式焊接,避免因为氩弧焊定位造成的焊接缺陷产生,且保证外形尺寸精度。
(5)蒙皮中部与骨架采用点焊辅助连接,确保导弹在高速飞行过程中蒙皮中部与骨架的可靠连接。(专利号:CN 202461796 U,一种斜坡面零件的点焊限位工装装备)
(6)优化零组件焊接顺序,首先将蒙皮周圈与骨架进行电子束定位焊,避免原先采用手工氩弧焊定位易造成焊接缺陷的问题,同时避免蒙皮中部与骨架点焊后蒙皮发生翘曲变形问题;然后再采用点焊结合电子束焊接方法,实现翼面的连接。
下面以细长绗梁结构的钛合金工件为例对本发明作详细描述:
一、“蒙皮内嵌式”结构设计
(1)“蒙皮内嵌式”结构钛合金翼面由蒙皮1和骨架2组成。
(2)蒙皮1由1.8mm厚度钛合金蒙皮精密折弯或热成形而成,周边留有少量余量,装配前修配去除;
(3)骨架2为细长杆桁架结构,根据气动外形设计,一般为多个呈一定角度的平面组成,通过精加工保证骨架外型面尺寸精度。
(4)为减少重量,骨架中空,中间设计筋条3工字梁结构,强度高而重量轻,筋条厚度b为5mm,宽度L为10mm,用于与蒙皮中部点焊连接;
(5)骨架上设计有用于安装蒙皮的下陷槽,下陷深度与蒙皮厚度一致,下陷槽内轮廓与蒙皮外轮廓一致,蒙皮安装后外型面与骨架外型面齐平。
二、所采用的工装
蒙皮中部与骨架点焊连接工装见图5,专利号:CN 202461796 U,专利名称:一种斜坡面零件的点焊限位工装装备,本发明中将其简称为点焊限位工装。蒙皮一侧的电极直径采用常规电极4,骨架一侧采用直径较大的万向电极5,预防大倾角斜坡面零件点焊打滑采用的点焊限位工装6。上述三个装置联合使用实现斜坡面零件的点焊。
如图6所示,翼根定位器由压紧螺钉7,活动杆8,可拆卸定位销9组成、支座10;活动杆8与支座10通过旋转轴进行连接,活动杆8能够水平位置到斜上45度的旋转,实现抬起和落下,旋转后通过可拆卸定位销9插入活动杆8和支座10对应的定位通孔中进行固定;压紧螺钉7穿过活动杆8的竖直向下的螺纹孔中。支座10固定在骨架周边,可以通过固定在压紧骨架周边的设备和工装上;压紧螺钉7压紧在骨架内部的蒙皮与骨架的连接处,将蒙皮与骨架定位进行定位。翼根定位器分布在骨架周边,每50mm-70mm的距离均布一个。
活动杆8具有两个定位通孔,当活动杆8处于水平位置时,卡入可拆卸定位销9,此时压紧螺钉7垂直向下,压紧螺钉7通过螺纹向下拧紧用于压紧蒙皮周圈与骨架的接触部位,保证蒙皮周圈与骨架装配间隙与阶差。当活动杆8处于斜上45度位置时,卡入可拆卸定位销9,此时压紧螺钉7随活动杆8抬起,避免在电子束(正式)焊接时进行干扰。
蒙皮周圈与骨架电子束焊接工装通过如图6所示工装--翼根定位器,将蒙皮与骨架定位焊接,待电子束定位焊之后抬起翼根定位器组件,进行正式焊接。
三、蒙皮内嵌式翼面焊接装配及连接工艺步骤
(一)焊前准备
(1)对钛合金蒙皮与骨架进行酸洗,去除零件表面的氧化膜、非金属杂质等,并将其置于低真空洁净环境中,在24小时内进行电子束焊接;
(2)将蒙皮与骨架待焊部位采用风刷进行打磨处理,直至露出金属光泽,并用白绸布蘸丙酮擦拭干净。
(二)蒙皮周圈与骨架电进行子束定位焊
可以采用翼面外形相近的压紧工装,将骨架外周压紧,使骨架在焊接受热时始终保持平直状态,最大限度减少焊接变形。
将蒙皮与骨架定位,此时翼根定位器中压紧螺钉7压紧蒙皮,保证蒙皮周圈与骨架焊缝装配间隙不大于0.1mm,局部(任意100mm范围内长度不大于30mm)不大于0.15mm,阶差不大于0.2mm,局部(任意100mm范围内长度不大于30mm)不大于0.25mm。
蒙皮周圈与骨架电子束定位焊具体方式如下:
将产品和工装吊装置于电子束焊机水平工作台上,送入真空电子束焊舱中,当电子束枪真空度优于1×10-5mbar,真空室真空度优于7×10-4mbar后开始焊接。首先对蒙皮周圈和骨架焊缝进行定位焊接,定位焊点位置落在两卡环之间,定位焊缝长度约为10mm-20mm,间距15mm-25mm,可根据两卡环间距大小适当调整定位焊长度和间距。
定位焊工艺参数为:
加速电压:Ub=130Kv-150Kv
聚焦电流:Ic=1980mA-1990mA
电子束流:Ib=2mA-4mA
焊接速度:V=5mm/s-8mm/s
偏摆:X=1.5mm-1.7mm;Y=0mm;
定位焊后打开电子束真空舱,检查定位焊焊缝质量,要求定位焊缝不存在裂纹、焊缝周圈间隙及阶差均不大于0.15mm;将工装四周用于卡紧固定蒙皮的压紧螺钉7和活动杆8向上抬起,插上定位销9,防止在正式电子束焊接过程中卡环螺钉回落影响焊接。将翼根定位器去掉,并将骨架外周边压紧的设备或工装去掉,才能进行下一步蒙皮中部与骨架点焊连接。
(三)蒙皮中部与骨架点焊连接
装配点焊限位工装,即通过常规电极4、万向电极5、点焊限位工装6三个装置联合使用实现斜坡面零件的点焊。蒙皮、骨架厚度差异大,翼面点焊选用硬规范(大电流、短时间),充分利用接触电阻集热作用,减少热量损失,即可减少核心偏移。点焊参数主要根据薄板厚度、骨架厚度变化作适当微调。材料为TA15钛合金,蒙皮厚度1.8mm时点焊工艺参数:
焊接电流:6.2kA-6.4kA
焊接时间:5周波数-7周波数
焊接压力:4kN-5kN
锻压力:7kN-8kN.
(四)蒙皮周圈与骨架电子束正式焊接
可以采用翼面外形相近的压紧工装,将骨架外周压紧,使骨架在焊接受热时始终保持平直状态,最大限度减少焊接变形。
(1)将产品和工装吊装置于电子束焊机水平工作台上,送入真空电子束焊舱中,当电子束枪真空度优于1×10-5mbar,真空室真空度优于7×10-4mbar后开始焊接。对蒙皮周圈与骨架焊缝进行正式焊接,正式焊工艺参数为:
加速电压:Ub=130Kv-150Kv
聚焦电流:Ic=1980mA-1990mA
电子束流:Ib=4mA-6mA
焊接速度:V=7mm/s-9mm/s
偏摆:X=1.4mm-1.6mm;Y=1.4mm-1.6mm;
(2)待电子束正式焊接后,为保证焊缝表面质量,对焊缝进行修饰焊接,修饰焊接工艺参数为:
加速电压:Ub=130Kv-150Kv
聚焦电流:Ic=2220mA-2230mA
电子束流:Ib=2mA-4mA
焊接速度:V=7mm/s-9mm/s
偏摆:X=2.6mm-3.0mm;Y=2.6mm-3.0mm;
(五)焊后X射线检测
对蒙皮周圈与骨架电子束焊缝进行X射线检查,需满足GJB1718A-2005《电子束焊接》中I级要求。焊后对零组件整体型面进行精加工、尺寸测量等,完成折叠翼面的连接制造。
Claims (10)
1.一种钛合金折叠翼面的加工制造方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
(一)“蒙皮内嵌式”结构设计
(1)翼面由蒙皮和骨架组成,蒙皮是0.8mm-2mm厚度钛合金蒙皮;
(2)骨架为细长杆桁架结构,骨架中间连接筋条;骨架上有用于安装蒙皮的下陷槽;下陷槽深度与蒙皮厚度一致,下陷槽内轮廓与蒙皮外轮廓一致;
(3)蒙皮安装到骨架下限槽内,安装后蒙皮外型面与骨架外型齐平;
(二)焊前准备
对钛合金蒙皮与骨架进行酸洗,去除零件表面的氧化膜、非金属杂质;
(三)蒙皮周圈与骨架电子束定位焊
将骨架外周压紧,并将蒙皮与骨架定位,使翼面翼缘在焊接受热时始终保持平直状态,进行蒙皮周圈与骨架电子束定位焊;
(四)在步骤(三)之后,蒙皮中部与骨架的筋条点焊连接
(五)在步骤(四)之后,蒙皮周圈与骨架电子束正式焊接
将骨架外周压紧,使翼面翼缘在焊接受热时始终保持平直状态,进行蒙皮周圈与骨架电子束正式焊接。
(六)焊后X射线检测
对蒙皮周圈与骨架电子束焊缝进行X射线检查。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金折叠翼面的加工制造方法,其特征在于,蒙皮由1.8mm厚度钛合金蒙皮折弯或热成形而成,周边留有少量余量,装配前修配去除。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金折叠翼面的加工制造方法,其特征在于,骨架为细长杆桁架结构,采取铸造成型,骨架内部中空,骨架内部中间设计筋条。
4.根据权利要求3所述的一种钛合金折叠翼面的加工制造方法,其特征在于,筋条为工字梁结构,筋条用于与蒙皮中部点焊连接。
5.权利要求1所述的一种钛合金折叠翼面的加工制造方法,其特征在于,在“蒙皮周圈与骨架电子束定位焊“步骤中,将蒙皮与骨架定位采用翼根定位器;翼根定位器由压紧螺钉,活动杆,可拆卸定位销、支座组成,支座固定在骨架周边,压紧螺钉压紧在骨架内部的蒙皮与骨架的连接处,将蒙皮与骨架定位进行定位。
6.权利要求1所述的一种钛合金折叠翼面的加工制造方法,其特征在于,蒙皮周圈与骨架电子束定位焊的在真空电子束焊舱中的焊接工艺参数为:
加速电压:Ub=130Kv-150Kv;
聚焦电流:Ic=1980mA-1990mA;
电子束流:Ib=2mA-4mA;
焊接速度:V=5mm/s-8mm/s;
偏摆:X=1.5mm-1.7mm;Y=0mm。
7.权利要求1所述的一种钛合金折叠翼面的加工制造方法,其特征在于,蒙皮中部与骨架点焊连接中,采用常规电极、万向电极、点焊限位工装联合使用实现斜坡面零件的点焊。
8.权利要求1所述的一种钛合金折叠翼面的加工制造方法,其特征在于,蒙皮中部与骨架点焊连接中的点焊工艺参数:
焊接电流:6.2kA-6.4kA;
焊接时间:5周波数-7周波数;
焊接压力:4kN-5kN;
锻压力:7kN-8kN。
9.权利要求1所述的一种钛合金折叠翼面的加工制造方法,其特征在于,蒙皮周圈与骨架电子束正式焊接过程,在真空电子束焊舱中的正式焊接工艺参数为:
加速电压:Ub=130Kv-150Kv;
聚焦电流:Ic=1980mA-1990mA;
电子束流:Ib=4mA-6mA;
焊接速度:V=7mm/s-9mm/s;
偏摆:X=1.4mm-1.6mm;Y=1.4mm-1.6mm。
10.权利要求9所述的一种钛合金折叠翼面的加工制造方法,其特征在于,正式焊接后,修饰焊接工艺参数为:
加速电压:Ub=130Kv-150Kv
聚焦电流:Ic=2220mA-2230mA
电子束流:Ib=2mA-4mA
焊接速度:V=7mm/s-9mm/s
偏摆:X=2.6mm-3.0mm;Y=2.6mm-3.0mm。
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