钛合金焊接技术在飞机制造中的应用和展望

冯乐　李自辉　王椿铭

摘  要：由于钛合金重量轻，强度高，优异的耐腐蚀性，又具有与先进复合材料在热学和电化学方面的相容性，一直是飞机和航空航天应用的重要结构材料。焊接技术作为钛合金加工中的重要方法，在提高材料利用率，减轻结构重量和降低成本方面具有獨特的优势。因此，为了保证钛合金焊接在飞机制造中的高效应用，本文分析了钛合金的优势及焊接技术的应用，并将其结合在了飞机制造行业当中，为钛合金焊接技术在飞机维修领域的广泛应用奠定基础。

关键词：钛合金焊接  飞机制造  应用展望

飞机材料的选择直接影响着机身的稳定性，为了确保飞机的稳定性，制造商对基础材料进行大量的筛选。在很多年前，飞机制造商已经看中了钛合金的发展前景，并开始在钛合金上进行试验。 但是，由于之前采用反向焊接技术，无法满足飞机设计中的精度要求。 然而，随着近几年焊接技术的创新发展，焊接技术广泛应用于机械工程、压力容器船舶工程，航空航天等各个领域。无论是在航天领域，还是一般的工程领域，大型结构还是小部件，都在不断扩大焊接结构的比重。如飞机中央翼焊接下壁板是关键承力构件，承受机翼传来的弯矩、扭矩、剪力、邮箱压力的作用;对于钛合金焊接技术在飞机上的应用，是必不可少的前提条件之一。

1钛合金在飞机制造中的优势

1.1基础强度较好

在飞机的飞行过程当中，其机身会受到巨大的压力作用。如果没有高强度的材料作为支撑，其很可能随时面临着解体的风险。一般情况下，战斗飞机的使用寿命需要达到2000～7000个飞行小时数，而客机的飞行寿命则需要达到65000的运行小时数。除了其材料本身，钛合金焊接技术的接口部分也具有较强的稳固度。根据实验表明，比起传统的机械性连接结构，钛合金焊接不仅能保证结构的整体稳定性，还能够大大提升焊接部位的结构强度。另外，钛合金焊接还能有效缓解焊接件的金属疲劳，从而保证飞机的基本使用寿命。

1.2焊接方式灵活

由于不需要进行传统机械焊接的装置性处理，钛合金在焊接过程中能够体现出更高的灵活度。在传统的机械焊接当中，设计院通常需要设计紧固孔来保证连接的稳定度。但是在结构设计当中，紧固孔本身就会占用一定的结构面积。尤其是在需要较高连接度的部件设计上，设计员更要在连接稳定度与实际零件大小之间做出抉择，以保证飞机结构的稳定性。由于钛合金焊接本身不需要紧固孔来进行功能加固，所以也可以缩小装置体积，从而能够为其他零件留出足够的空间。可以看出，这项技术可以逐渐促进飞机的轻量性发展，从而降低飞机制造的生产成本。另外，钛合金焊接还不受材料空间结构的影响。所以，即便是在非规则结构的焊接当中，也能发挥出较大的优势。这对于传统的机械连接装置来讲，是无法实现的。

另一方面，钛合金焊接还能够帮助设计师进行更加有效的装置焊接规划，从而提升材料的基础利用率[1]。因为传统器械装置的连接通常具有较强的局限性。比如在复杂装置的框体制造上，就只能通过整体锻造来进行相应作业。整体锻造对模具的要求极高，废品率也相对较高。另外整体锻造对零件也有更高的要求，否则会影响整体的结构紧密性，从而影响到整个框体结构的功能稳定性。但钛合金焊接技术使结构不需要整体锻造，使其框体的设计具有更强的灵活性。由于框体的灵活性高，所以即便是后期设计需要技术更改，其花费的成本也会相对较低[2]。

2钛合金焊接技术在飞机制造中的具体应用

飞机的制造过程利用了大量的钛合金焊接技术，因为本文篇幅有限，所以本文主要对各种钛合金的焊接方式进行描述，以便于理解。

2.1氩弧焊

氩弧焊技术是在普通电弧焊的原理的基础上，利用氩气对金属焊材的保护，通过高电流使焊材在被焊基材上融化成液态形成熔池，使被焊金属和焊材达到冶金结合的一种焊接技术。由于氩弧焊本身的操作较为简单，且具有较强的使用性，尤其在针对非线性结构的焊接当中，更能体现出应用场合的广泛性。而在飞机的制造过程当中，若非特殊情况，只要板厚低于9毫米，就都可以采用氩弧焊来进行焊接。另外，在厚型钛合金板材组的焊接上，氩弧焊能够起到其他焊接方式所不能起到作用。相对的，氩弧焊因为热影响区域大，在修补后常常会造成变形、硬度过高、砂眼、局部退火、开裂或者是结合力不够及内应力损伤等缺点。因此，要求技术人员有较高的焊接经验，避免出现焊接变形等上述问题。而在具体的应用当中，氩弧焊主要用于飞机整流罩、蒙皮、机身的焊接上[3]。

2.2电子束焊接和激光焊接

激光焊接不同于电子束焊，它更像是一种具有较强针对性的焊接方式。这种焊接的空间位置结构的转变具有较强的灵活性，并且能够在大气环境进行作业。所以在当氩弧焊以及电子束焊无法对其进行处理时，就要采用此种焊接方式来进行弥补。

3钛合金焊接技术在飞机制造中的展望

3.1原有的技术问题能够得以解决

3.1.1气体纯度对钛焊接的影响

在钛合金焊接过程中，各种气体的浓度直接决定了焊接的效果。比如氧和氮的加入虽然能使焊接的硬度和抗变性能力增强，但会大大降低钛合金本身的韧性和可塑性。所以为了保证焊接的质量，大多数的焊接工程都避免氮气的混入。但即便如此，大多数焊接的工作效果还是不能够得到保证。不过可以预见的是，今后氮处理的技术会更加规范和标准，所以其钛合金焊接的技术能够更加稳定，尤其是在飞机精密部位的焊接上，就是能够弥补现代技术中的缺陷。另一方面，钛合金焊接另一个最常出现的问题就是气孔，且主要集中在焊接的融合线周围。虽然说相关研究者早已发现气孔的主要形成原因是氢浓度的影响，但是由于在焊接过程当中钛合金对氢的亲和度较高，所以一般上也很难处理。不过随着未来气体处理技术的发展，钛合金焊接也能够采取一些积极的措施来帮助氢从焊接部位溢出。

3.1.2裂纹控制

虽然说裂纹在钛合金焊接当中十分少见，但会对焊接的整体坚固性造成巨大的影响。在现代的钛合金焊接技术当中，实际上还没有很好的办法来预防裂纹的出现。不过有研究表明，α-β钛合金可以降低工业纯钛的使用含量来降低裂纹的出现几率。

3.2技术精度的提升

随着计算机控制技术的不断增强，在未来的钛合金焊接当中，计算机AI可以代替人类进行精密的焊接工作，一来可以控制焊接的工作精准度，二来则可以解放更多的劳动力，以便于资源的重新调配。

4结束语

随着科学技术的不断发展，钛合金与飞机制造的关系会越来越紧密，小到每一条接缝，大到机身处理，都需要技术人员不断提升自身的职责素质，以便于面对未来更加复杂的挑战。

参考文献：

[1]许爱平，董俊慧，甄邵杨.基于正交实验的TC_4钛合金激光焊接头组织性能优化研究[J].机电信息，2020（09）：49-52.

[2]王新宇，李文亚，马铁军.焊前及焊后热处理对TC11钛合金线性摩擦焊接头组织性能的影响[J].精密成形工程，2019，11（06）：1-7.

[3]梁明阳，彭小洋，于多等.钛合金焊接的常见缺陷及其预防思考[J].中国设备工程，2020，（20）：75-76.