鈦合金焊接技術在飛機制造中的應用和展望

馮樂　李自輝　王椿銘

摘? 要：由于鈦合金重量輕，強度高，優異的耐腐蝕性，又具有與先進復合材料在熱學和電化學方面的相容性，一直是飛機和航空航天應用的重要結構材料。焊接技術作為鈦合金加工中的重要方法，在提高材料利用率，減輕結構重量和降低成本方面具有獨特的優勢。因此，為了保證鈦合金焊接在飛機制造中的高效應用，本文分析了鈦合金的優勢及焊接技術的應用，并將其結合在了飛機制造行業當中，為鈦合金焊接技術在飛機維修領域的廣泛應用奠定基礎。

關鍵詞：鈦合金焊接 ?飛機制造 ?應用展望

飛機材料的選擇直接影響著機身的穩定性，為了確保飛機的穩定性，制造商對基礎材料進行大量的篩選。在很多年前，飛機制造商已經看中了鈦合金的發展前景，并開始在鈦合金上進行試驗。 但是，由于之前采用反向焊接技術，無法滿足飛機設計中的精度要求。 然而，隨著近幾年焊接技術的創新發展，焊接技術廣泛應用于機械工程、壓力容器船舶工程，航空航天等各個領域。無論是在航天領域，還是一般的工程領域，大型結構還是小部件，都在不斷擴大焊接結構的比重。如飛機中央翼焊接下壁板是關鍵承力構件，承受機翼傳來的彎矩、扭矩、剪力、郵箱壓力的作用;對于鈦合金焊接技術在飛機上的應用，是必不可少的前提條件之一。

1鈦合金在飛機制造中的優勢

1.1基礎強度較好

在飛機的飛行過程當中，其機身會受到巨大的壓力作用。如果沒有高強度的材料作為支撐，其很可能隨時面臨著解體的風險。一般情況下，戰斗飛機的使用壽命需要達到2000～7000個飛行小時數，而客機的飛行壽命則需要達到65000的運行小時數。除了其材料本身，鈦合金焊接技術的接口部分也具有較強的穩固度。根據實驗表明，比起傳統的機械性連接結構，鈦合金焊接不僅能保證結構的整體穩定性，還能夠大大提升焊接部位的結構強度。另外，鈦合金焊接還能有效緩解焊接件的金屬疲勞，從而保證飛機的基本使用壽命。

1.2焊接方式靈活

由于不需要進行傳統機械焊接的裝置性處理，鈦合金在焊接過程中能夠體現出更高的靈活度。在傳統的機械焊接當中，設計院通常需要設計緊固孔來保證連接的穩定度。但是在結構設計當中，緊固孔本身就會占用一定的結構面積。尤其是在需要較高連接度的部件設計上，設計員更要在連接穩定度與實際零件大小之間做出抉擇，以保證飛機結構的穩定性。由于鈦合金焊接本身不需要緊固孔來進行功能加固，所以也可以縮小裝置體積，從而能夠為其他零件留出足夠的空間?？梢钥闯?，這項技術可以逐漸促進飛機的輕量性發展，從而降低飛機制造的生產成本。另外，鈦合金焊接還不受材料空間結構的影響。所以，即便是在非規則結構的焊接當中，也能發揮出較大的優勢。這對于傳統的機械連接裝置來講，是無法實現的。

另一方面，鈦合金焊接還能夠幫助設計師進行更加有效的裝置焊接規劃，從而提升材料的基礎利用率[1]。因為傳統器械裝置的連接通常具有較強的局限性。比如在復雜裝置的框體制造上，就只能通過整體鍛造來進行相應作業。整體鍛造對模具的要求極高，廢品率也相對較高。另外整體鍛造對零件也有更高的要求，否則會影響整體的結構緊密性，從而影響到整個框體結構的功能穩定性。但鈦合金焊接技術使結構不需要整體鍛造，使其框體的設計具有更強的靈活性。由于框體的靈活性高，所以即便是后期設計需要技術更改，其花費的成本也會相對較低[2]。

2鈦合金焊接技術在飛機制造中的具體應用

飛機的制造過程利用了大量的鈦合金焊接技術，因為本文篇幅有限，所以本文主要對各種鈦合金的焊接方式進行描述，以便于理解。

2.1氬弧焊

氬弧焊技術是在普通電弧焊的原理的基礎上，利用氬氣對金屬焊材的保護，通過高電流使焊材在被焊基材上融化成液態形成熔池，使被焊金屬和焊材達到冶金結合的一種焊接技術。由于氬弧焊本身的操作較為簡單，且具有較強的使用性，尤其在針對非線性結構的焊接當中，更能體現出應用場合的廣泛性。而在飛機的制造過程當中，若非特殊情況，只要板厚低于9毫米，就都可以采用氬弧焊來進行焊接。另外，在厚型鈦合金板材組的焊接上，氬弧焊能夠起到其他焊接方式所不能起到作用。相對的，氬弧焊因為熱影響區域大，在修補后常常會造成變形、硬度過高、砂眼、局部退火、開裂或者是結合力不夠及內應力損傷等缺點。因此，要求技術人員有較高的焊接經驗，避免出現焊接變形等上述問題。而在具體的應用當中，氬弧焊主要用于飛機整流罩、蒙皮、機身的焊接上[3]。

2.2電子束焊接和激光焊接

激光焊接不同于電子束焊，它更像是一種具有較強針對性的焊接方式。這種焊接的空間位置結構的轉變具有較強的靈活性，并且能夠在大氣環境進行作業。所以在當氬弧焊以及電子束焊無法對其進行處理時，就要采用此種焊接方式來進行彌補。

3鈦合金焊接技術在飛機制造中的展望

3.1原有的技術問題能夠得以解決

3.1.1氣體純度對鈦焊接的影響

在鈦合金焊接過程中，各種氣體的濃度直接決定了焊接的效果。比如氧和氮的加入雖然能使焊接的硬度和抗變性能力增強，但會大大降低鈦合金本身的韌性和可塑性。所以為了保證焊接的質量，大多數的焊接工程都避免氮氣的混入。但即便如此，大多數焊接的工作效果還是不能夠得到保證。不過可以預見的是，今后氮處理的技術會更加規范和標準，所以其鈦合金焊接的技術能夠更加穩定，尤其是在飛機精密部位的焊接上，就是能夠彌補現代技術中的缺陷。另一方面，鈦合金焊接另一個最常出現的問題就是氣孔，且主要集中在焊接的融合線周圍。雖然說相關研究者早已發現氣孔的主要形成原因是氫濃度的影響，但是由于在焊接過程當中鈦合金對氫的親和度較高，所以一般上也很難處理。不過隨著未來氣體處理技術的發展，鈦合金焊接也能夠采取一些積極的措施來幫助氫從焊接部位溢出。

3.1.2裂紋控制

雖然說裂紋在鈦合金焊接當中十分少見，但會對焊接的整體堅固性造成巨大的影響。在現代的鈦合金焊接技術當中，實際上還沒有很好的辦法來預防裂紋的出現。不過有研究表明，α-β鈦合金可以降低工業純鈦的使用含量來降低裂紋的出現幾率。

3.2技術精度的提升

隨著計算機控制技術的不斷增強，在未來的鈦合金焊接當中，計算機AI可以代替人類進行精密的焊接工作，一來可以控制焊接的工作精準度，二來則可以解放更多的勞動力，以便于資源的重新調配。

4結束語

隨著科學技術的不斷發展，鈦合金與飛機制造的關系會越來越緊密，小到每一條接縫，大到機身處理，都需要技術人員不斷提升自身的職責素質，以便于面對未來更加復雜的挑戰。

參考文獻：

[1]許愛平，董俊慧，甄邵楊.基于正交實驗的TC_4鈦合金激光焊接頭組織性能優化研究[J].機電信息，2020（09）：49-52.

[2]王新宇，李文亞，馬鐵軍.焊前及焊后熱處理對TC11鈦合金線性摩擦焊接頭組織性能的影響[J].精密成形工程，2019，11（06）：1-7.

[3]梁明陽，彭小洋，于多等.鈦合金焊接的常見缺陷及其預防思考[J].中國設備工程，2020，（20）：75-76.