CN107717224B - 钛合金空心轻量化翼面的加工方法 - Google Patents

钛合金空心轻量化翼面的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法涉及焊接技术领域。其目的是为了提供一种芯格壁厚薄、芯格高度大的中空轻量化翼面，且可提高产品的生产效率、降低制造成本的钛合金空心轻量化翼面的加工方法。本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法，步骤包括，步骤一、翼面结构设计，翼面包括蒙皮、内部芯格和边框，所述内部芯格包括筋板和连接筋，所述筋板交叉连接，所述连接筋连接两个相互交叉的所述筋板；步骤二、备料，蒙皮、筋板、连接筋和边框切割和清洁处理；步骤三、激光焊接，其一，所述边框与所述内部芯格激光焊接形成骨架、其二，所述蒙皮与所述骨架激光焊接；步骤四、热校形，焊接完成后将工件放入校形工装。

Description

钛合金空心轻量化翼面的加工方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种钛合金空心轻量化翼面的加工方法。
背景技术
随着航空航天飞行器飞行速度的不断提高以及武器系统整体结构轻量化的迫切需要，弹翼、舵翼、尾翼等产品逐步由原来的铝合金更换为高性能的钛合金，翼面的成形方式也由原来的铆接、粘接、氩弧焊焊接改为超塑成形/扩散连接、钎焊、电子束焊接等。超塑成形扩散连接技术作为现代化的制造手段，虽然很适合钛合金轻量化结构的成形，但是对一些骨架壁厚比较薄，而翼面厚度非常大的零件，由于受到材料超塑性能的限制，存在一定的局限性，工艺过程难以实现。对于钎焊工艺，则存在钎焊面小、焊缝多，但是焊接零件刚度差，工装难以加载等问题。而电子束焊接则需要在真空环境下进行，对多道焊缝需要焊接的零件，则生产制造的周期很长，成本很高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种芯格壁厚薄、芯格高度大的中空轻量化翼面，且可提高产品的生产效率、降低制造成本的钛合金空心轻量化翼面的加工方法。
本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法，加工步骤如下，
步骤一，翼面结构设计，
翼面包括蒙皮、内部芯格和边框，所述内部芯格包括筋板和连接筋，所述筋板交叉连接，所述连接筋连接两个相互交叉的所述筋板，所述蒙皮与所述内部芯格、所述边框相对固定，所述边框包括整体边框和分体边框；
步骤二，备料，
所述蒙皮、筋板、连接筋和边框切割成设计尺寸，且进行表面处理，去除表皮杂质和氧化层；
步骤三，激光焊接，
其一，所述边框与所述内部芯格激光焊接形成骨架，
所述整体边框定位，所述筋板激光焊接在所述整体边框上，所述连接筋激光焊接在所述筋板上，所述分体边框与所述筋板激光焊接；所述筋板沿所述整体边框依次向所述分体边框方向焊接；
其二，所述蒙皮与所述骨架激光焊接，
所述蒙皮激光焊接前，所述蒙皮放置在骨架上，所述蒙皮与所述筋板点焊，然后，所述蒙皮的四边与边框激光焊接，再者，所述蒙皮与所述筋板激光焊接；
步骤四，热校形，
焊接完成后将工件放入校形工装，以去除焊接应力，所述热校形条件，校形温度为900-920℃，校形气压1.2-2MPa，保压时间为1.5-2.5h，保压完成后随炉冷却到200℃以下。
本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法，其中所述激光焊接参数：激光功率：1800W-2200W，焊接速度0.8-1.2m/s，离焦量：-3mm～+3mm，氩气保护流量25L/min，激光束和焊接面夹角0-30°。
本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法，其中所述翼面上设置的所述蒙皮、所述内部芯格和所述边框的厚度控制在0.5mm-3mm。
本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法，其中所述筋板上开设有通气孔。
本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法，其中所述整体边框上设有与所述筋板连接的工艺结构。
本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法，其中所述筋板的高度高于所述连接筋的高度，所述筋板高出所述连接筋的高度范围为0.1mm-0.3mm。
本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法，其中所述蒙皮上开设有定位槽，所述定位槽与所述筋板连接。
本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法与现有技术不同之处在于：本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法，首先进行翼面结构设计，翼面包括蒙皮、内部芯格和边框，内部芯格为十字交叉结构、壁厚比较薄、芯格高度却较大的中空轻量化结构，内部芯格与边框、蒙皮组成的翼面可以极大提高产品的生产效率、降低制造成本；然后进行备料，材料通过激光切割或线切割得到，并进行清洁处理，保证加工精度；再进行激光焊接成型，翼面的组成结构采用激光焊接，焊接成本低、加工效率高、对环境要求低、环境污染小、健康环保；边框分为整体边框和分体边框，方便定位和安装、提高施工效率；最后进行热校形，翼面通过超塑成形工艺进行焊后校形，以去除焊接后的应力，并保证零件的型面精度。
下面结合附图对本发明的钛合金空心轻量化翼面的加工方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法的翼面结构示意图；
图2为本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法的图1的剖视结构示意图；
图3为本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法的图1中翼面焊接过程示意图；
图4为本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法的图1中翼面旋转90°的结构示意图；
图5为本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法的图4中翼面焊接过程示意图；
图6为本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法的图2中A的放大结构示意图。
附图标注：1、整体边框；2、分体边框；3、筋板；4、连接筋；5、通气孔。
具体实施方式
本发明提供了一种钛合金轻量化、中空翼面的加工制造方法，解决了钛合金翼面、芯格壁厚较小而翼面高度较大时超塑成形、扩散连接难以成形，电子束焊接成本过高的问题，提出了采用激光焊接工艺制造轻量化中空翼面的方法。
结合图1-图6所示，本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法，加工步骤如下，
步骤一，翼面结构设计，
翼面包括蒙皮、内部芯格和边框，内部芯格包括筋板3和连接筋4，筋板3相互交叉，连接筋4连接两个相互交叉的筋板3，筋板3与连接筋4形成桁架结构，蒙皮与内部芯格、边框固定连接，边框包括整体边框1和分体边框2，整体边框1用来定位，分体边框2方便调节和安装；
步骤二，备料，
蒙皮、筋板3、连接筋4和边框切割成设计尺寸，且进行表面处理，去除表皮杂质和氧化层；
步骤三，激光焊接，
其一，边框与内部芯格激光焊接形成骨架，
具体的，整体边框1定位，筋板3激光焊接在整体边框1上，连接筋4激光焊接在筋板3上，内部芯格焊接完成后，分体边框2与筋板3激光焊接形成骨架结构；筋板3的具体焊接过程为沿整体边框1依次向分体边框2方向焊接；
其二，蒙皮与骨架激光焊接，
具体的，蒙皮激光焊接前，蒙皮放置在骨架上，蒙皮与筋板3点焊，然后，蒙皮的四边与边框激光焊接，再者，蒙皮与筋板3激光焊接；
步骤四，热校形，
焊接完成后将工件放入校形工装，以去除焊接应力。
电子束焊接技术相对成熟，现有的翼面焊接多采用电子束焊接，但是电子束焊接需要高真空环境以防止电子散射，设备复杂，有磁偏移，焊件尺寸和形状受到真空室的限制，抽真空过程耗时长，导致施工过程时间长、效率低，并且X射线污染严重，对操作人员身体损伤大。相比较于电子束焊，激光焊成为高能束焊接技术发展的主流，激光焊接的优点是：激光焊不需真空室和对工件焊前进行去磁处理，可在大气中进行，也没有防X射线问题，所以可在生产线内联机操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循环时间大大低于电子束焊接，工作效率明显提高、施工成本降低、工作环境更加安全健康。
上述步骤二备料过程中，蒙皮和筋板3采用激光下料，激光下料的加工精度高、生产效率高；连接筋4和边框采用线切割下料，线切割下料的成本低、操作简便；蒙皮、筋板3、连接筋4和边框的表面处理过程选用酸洗方式，酸洗液的温度为18～45℃，酸洗时间为2～15min，酸洗用来去除表面污物和氧化皮，并用洁净的牛皮纸包好备用。并且，酸洗过的零件不能再用手触摸，装配过程中要保持零件干净。
进一步的，激光焊接参数：激光功率：1800W-2200W，焊接速度0.8-1.2m/s，离焦量：-3mm～+3mm，氩气保护流量25L/min，激光束和焊接面夹角0-30°。
结合图1、图3-图5所示，筋板3包括横向筋板HB和纵向筋板ZB，依照筋板3的排列顺序横向筋板HB依次并列设置有若干排，纵向筋板ZB依次并列设置有若干列。横向筋板HB按照排列顺序依次设为第一列横向筋板标示为HB1、第二列横向筋板标示为HB2、第三列横向筋板标示为HB3，依次类推……，第一列横向筋板的第一块标示为HB11、第一列横向筋板的第二块标示为HB12、第一列横向筋板的第三块标示为HB13，依次类推……纵向筋板ZB按照排列顺序依次设为第一排纵向筋板标示为ZB1、第二排纵向筋板标示为ZB2、第三排纵向筋板标示为ZB3，依次类推……，第一排纵向筋板的第一块标示为ZB11、第一排纵向筋板的第二块标示为ZB12、第一排纵向筋板的第三块标示为ZB13，依次类推……
上述步骤三激光焊接的过程中，首先，边框与芯格激光焊接：整体边框1与筋板3HB11以及连接筋4S11按照图附图3所示位置关系固定，首先焊接这三个零件之间的两道焊缝，然后再依次焊接筋板3HB12和连接筋S12之间的焊缝，依次类推，将筋板3HB15和连接筋4S15焊接在整体边框1上。然后按照图5所示依次将筋板3ZB11-ZB16焊接到对应的位置，按照筋板3ZB16-ZB11方向依次焊接，筋板3ZB11焊接完成后首先焊接筋板3HB25，再依次焊接筋板3HB24，直到筋板3HB21，剩余筋板3的焊接顺序相同，都是从整体边框1到分体边框2依次焊接。当内部芯格焊接完成后再焊接分体边框2上对应的焊缝，整个骨架结构焊接完成。激光焊接参数：激光功率：1800W-2200W，焊接速度0.8-1.2m/s，离焦量：-3mm—+3mm，氩气保护流量25L/min，激光束和焊接面夹角0-30度。
蒙皮与骨架的激光焊接：将蒙皮放置到焊接完成的骨架上，通过氩弧焊将蒙皮与筋板3点焊在一起，在筋板3的起始点和筋板3长度的中间位置各点焊一个点，每个筋板3位置点焊三个点，具体位置见附图6；点焊完成后再进行激光焊接，激光焊接时，先封焊蒙皮与边框的四条焊缝，然后再封焊蒙皮与筋板3的焊缝；激光焊接参数：激光功率：1800W-2200W，焊接速度0.8-1.2m/s，离焦量：-3mm—+3mm，氩气保护流量25L/min，激光束和焊接面夹角0-30度。
进一步的，翼面上设置的蒙皮、内部芯格和边框的厚度控制在0.5mm-3mm，其中，蒙皮的优选厚度为0.8mm-2.0mm，内部芯格中筋板3和连接筋4的厚度优选为0.5mm-2mm，边框的厚度优选为2mm-3mm。其中，内部芯格和边框的厚度相对于传统的4mm-6mm筋条厚度明显减小，进一步减轻了翼面的质量，实现翼面的轻量化设计。
进一步的，筋板3上开设有通气孔5，通气孔5用来校形，筋板3受挤压或外力作用时，通气孔5能够吸收筋板3的变形量，减小筋板3的形变，保证筋板3的结构强度和稳定性。
进一步的，整体边框1上设有与筋板3连接的工艺结构，整体边框1上的工艺结构可以设为安装槽，整体边框1上开有安装槽，方便筋板3快速、准确得定位，焊接过程中安装槽和筋板熔焊在一起，即可以保证构件的结构强度，又可以提高工作效率，保证定位精度。进一步的，筋板3的高度高于连接筋4的高度，筋板3高出连接筋4的高度范围为0.1mm-0.3mm，筋板3的高度高于连接筋4，进一步减小翼面结构的质量，且方便将蒙皮与筋板3固定，也保证筋板3的支撑稳定性。
进一步的，蒙皮上开设有定位槽，定位槽与筋板3连接，筋板3与定位槽接触的端面的形状和尺寸与定位槽的形状和尺寸相适配，筋板3与定位槽插接固定，定位槽用来定位和连接蒙皮和筋板3，方便蒙皮快速与筋板3定位，进而加速蒙皮的焊接过程。
进一步的，热校形过程采用超塑热校形，校形条件：校形温度为900-920℃，校形气压1.2-2MPa，保压时间为1.5h-2.0h，保压完成后随炉冷却到200℃以下。
实施例一：
步骤一，翼面结构设计，
翼面包括蒙皮、内部芯格和边框，蒙皮厚度1.0mm，内部芯格厚度0.5mm，边框厚度3.0mm，内部芯格包括筋板3和连接筋4，筋板3相互交叉，连接筋4连接两个相互交叉的筋板3，筋板3与连接筋4形成桁架结构，蒙皮与内部芯格、边框固定连接，边框包括整体边框1和分体边框2，整体边框1用来定位，分体边框2方便调节和安装；
筋板3的高度高于连接筋4的高度0.1mm，筋板3上开设有通气孔5；
步骤二，备料，
蒙皮、筋板3、连接筋4和边框切割成设计尺寸，且进行酸洗处理，去除表皮杂质和氧化层；其中，筋板3和蒙皮采用激光下料，连接筋4和边框采用线切割下料；
步骤三，激光焊接，
其一，边框与内部芯格激光焊接形成骨架，
具体的，整体边框1定位，筋板3激光焊接在整体边框1上，连接筋4激光焊接在筋板3上，内部芯格焊接完成后，分体边框2与筋板3激光焊接形成骨架结构；筋板3的具体焊接过程为沿整体边框1依次向分体边框2方向焊接；
其二，蒙皮与骨架激光焊接，
具体的，蒙皮激光焊接前，蒙皮放置在骨架上，蒙皮与筋板3点焊，然后，蒙皮的四边与边框激光焊接，再者，蒙皮与筋板3激光焊接；
上述激光焊接的参数：激光功率：1800W，焊接速度0.8m/s，离焦量：+3mm，氩气保护流量25L/min，激光束和焊接面夹角10°；
步骤四，热校形，
采用超塑热校形，焊接完成后将工件放入校形工装，放入真空超塑成形设备中，进行超塑热校形，以去除焊接后的应力，并保证零件的型面精度；
热校形条件为：校形温度为900℃，校形气压1.2MPa，保压时间为1.5h，保压完成后随炉冷却到200℃以下，以去除焊接应力，翼面的机械性能参考表1所示。
实施例二：
步骤一，翼面结构设计，
翼面包括蒙皮、内部芯格和边框，蒙皮厚度1.0mm，内部芯格厚度1.2mm，边框厚度2.5mm，内部芯格包括筋板3和连接筋4，筋板3相互交叉，连接筋4连接两个相互交叉的筋板3，筋板3与连接筋4形成桁架结构，蒙皮与内部芯格、边框固定连接，边框包括整体边框1和分体边框2，整体边框1用来定位，分体边框2方便调节和安装；
筋板3的高度高于连接筋4的高度0.2mm，筋板3上开设有通气孔5；
步骤二，备料，
蒙皮、筋板3、连接筋4和边框切割成设计尺寸，且进行酸洗处理，去除表皮杂质和氧化层；其中，筋板3和蒙皮采用激光下料，连接筋4和边框采用线切割下料；
步骤三，激光焊接，
其一，边框与内部芯格激光焊接形成骨架，
具体的，整体边框1定位，筋板3激光焊接在整体边框1上，连接筋4激光焊接在筋板3上，内部芯格焊接完成后，分体边框2与筋板3激光焊接形成骨架结构；筋板3的具体焊接过程为沿整体边框1依次向分体边框2方向焊接；
其二，蒙皮与骨架激光焊接，
具体的，蒙皮激光焊接前，蒙皮放置在骨架上，蒙皮与筋板3点焊，然后，蒙皮的四边与边框激光焊接，再者，蒙皮与筋板3激光焊接；
上述激光焊接的参数：激光功率：2000W，焊接速度1.0m/s，离焦量：1mm，氩气保护流量25L/min，激光束和焊接面夹角20°；
步骤四，热校形，
采用超塑热校形，焊接完成后将工件放入校形工装，放入真空超塑成形设备中，进行超塑热校形，以去除焊接后的应力，并保证零件的型面精度；
热校形条件为：校形温度为910℃，校形气压1.6MPa，保压时间为1.8h，保压完成后随炉冷却到200℃以下，以去除焊接应力，翼面的机械性能参考表1所示。
实施例三：
步骤一，翼面结构设计，
翼面包括蒙皮、内部芯格和边框，蒙皮厚度1.0mm，内部芯格厚度2.0mm，边框厚度2.0mm，内部芯格包括筋板3和连接筋4，筋板3相互交叉，连接筋4连接两个相互交叉的筋板3，筋板3与连接筋4形成桁架结构，蒙皮与内部芯格、边框固定连接，边框包括整体边框1和分体边框2，整体边框1用来定位，分体边框2方便调节和安装；
筋板3的高度高于连接筋4的高度0.3mm，筋板3上开设有通气孔5；
步骤二，备料，
蒙皮、筋板3、连接筋4和边框切割成设计尺寸，且进行酸洗处理，去除表皮杂质和氧化层；其中，筋板3和蒙皮采用激光下料，连接筋4和边框采用线切割下料；
步骤三，激光焊接，
其一，边框与内部芯格激光焊接形成骨架，
具体的，整体边框1定位，筋板3激光焊接在整体边框1上，连接筋4激光焊接在筋板3上，内部芯格焊接完成后，分体边框2与筋板3激光焊接形成骨架结构；筋板3的具体焊接过程为沿整体边框1依次向分体边框2方向焊接；
其二，蒙皮与骨架激光焊接，
具体的，蒙皮激光焊接前，蒙皮放置在骨架上，蒙皮与筋板3点焊，然后，蒙皮的四边与边框激光焊接，再者，蒙皮与筋板3激光焊接；
上述激光焊接的参数：激光功率：2200W，焊接速度1.2m/s，离焦量：-3mm，氩气保护流量25L/min，激光束和焊接面夹角30°；
步骤四，热校形，
采用超塑热校形，焊接完成后将工件放入校形工装，放入真空超塑成形设备中，进行超塑热校形，以去除焊接后的应力，并保证零件的型面精度；
热校形条件为：校形温度为920℃，校形气压2MPa，保压时间为2.0h，保压完成后随炉冷却到200℃以下，以去除焊接应力，翼面的机械性能参考表1所示。
表1空心轻量化翼面的机械性能参数
Figure GDA0002222136340000081
结合表1所示，采用电子束焊接方法和本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法的翼面焊接参数对比，本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法加工得到的翼面质量和力学性能均优于电子束焊接，并且本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法得到的翼面的力学性能与焊接母材的性能接近，相对于理论标准参数有明显进步，翼面的结构强度提高、整体质量减轻、使用寿命增长。
本发明钛合金空心轻量化翼面的加工方法，内部芯格为十字交叉结构、壁厚比较薄、芯格高度却较大的中空轻量化结构，内部芯格与边框、蒙皮组成的翼面可以极大提高产品的生产效率、降低制造成本；翼面的组成结构采用激光焊接，焊接成本低、加工效率高、对环境要求低、环境污染小、健康环保；内部芯格的筋板3上开设有通气孔5，筋板3的高度高于连接筋4，提升材料自身稳定性；蒙皮上开有定位槽，定位槽的位置和尺寸以筋板3一致，便于将蒙皮定位在筋板3上，缩减加工时间、操作简便快捷；边框分为整体边框1和分体边框2，且边框上留有跟筋板3连接的工艺结构，方便定位和安装、提高施工效率；翼面通过超塑成形工艺进行焊后校形，以去除焊接后的应力，并保证零件的型面精度。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种钛合金空心轻量化翼面的加工方法，其特征在于：加工步骤如下，
步骤一，翼面结构设计，
翼面包括蒙皮、内部芯格和边框，所述内部芯格包括筋板和连接筋，所述筋板交叉连接，所述连接筋连接两个相互交叉的所述筋板，所述蒙皮与所述内部芯格、所述边框相对固定，所述边框包括整体边框和分体边框；
步骤二，备料，
所述蒙皮、筋板、连接筋和边框切割成设计尺寸，且进行表面处理，去除表皮杂质和氧化层；
步骤三，激光焊接，
其一，所述边框与所述内部芯格激光焊接形成骨架，
所述整体边框定位，所述筋板激光焊接在所述整体边框上，所述连接筋激光焊接在所述筋板上，所述分体边框与所述筋板激光焊接；所述筋板沿所述整体边框依次向所述分体边框方向焊接；
其二，所述蒙皮与所述骨架激光焊接，
所述蒙皮激光焊接前，所述蒙皮放置在骨架上，所述蒙皮与所述筋板点焊，然后，所述蒙皮的四边与边框激光焊接，再者，所述蒙皮与所述筋板激光焊接；
步骤四，热校形，
焊接完成后将工件放入校形工装，以去除焊接应力，所述热校形条件，校形温度为900-920℃，校形气压1.2-2MPa，保压时间为1.5-2.5h，保压完成后随炉冷却到200℃以下。
2.根据权利要求1所述的钛合金空心轻量化翼面的加工方法，其特征在于：激光焊接参数：激光功率：1800W-2200W，焊接速度0.8-1.2m/s，离焦量：-3mm～+3mm，氩气保护流量25L/min，激光束和焊接面夹角0-30°。
3.根据权利要求1或2所述的钛合金空心轻量化翼面的加工方法，其特征在于：所述翼面上设置的所述蒙皮、所述内部芯格和所述边框的厚度控制在0.5mm-3mm。
4.根据权利要求1或2所述的钛合金空心轻量化翼面的加工方法，其特征在于：所述筋板上开设有通气孔。
5.根据权利要求1或2所述的钛合金空心轻量化翼面的加工方法，其特征在于：所述整体边框上设有与所述筋板连接的工艺结构。
6.根据权利要求1或2所述的钛合金空心轻量化翼面的加工方法，其特征在于：所述筋板的高度高于所述连接筋的高度，所述筋板高出所述连接筋的高度范围为0.1mm-0.3mm。
7.根据权利要求1或2所述的钛合金空心轻量化翼面的加工方法，其特征在于：所述蒙皮上开设有定位槽，所述定位槽与所述筋板连接。
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