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大型钛合金的结件焊接加工工艺

来源:钛板,钛棒,钛管,钛丝,钛设备,钛合金,钛材 发布时间:2015-12-10 11:36:42
大型整体钛合金框的投影面积可达4~5m2,通常为双面加筋的加强框,外形为符合蒙皮走向的变斜角,每面有数十个槽腔结构,腹板较薄,有复杂的加强筋。框的两侧通常具有与机翼连接的耳片结构。框中间通常有2 个较大圆形开口,其边缘为变斜角,符合发动机的外形。此类框还具有飞机结构件轻质、薄壁、深槽、变斜角外形、高精度等通用特点。总之,此类框不但为难切削材料,而且焊缝多,焊接变形及焊缝收缩量复杂,尺寸大,结构复杂、精度要求高,切除率超过90%,这些特点决定了此类框必须用大型五坐标数控机床加工,数控加工难度和强度均很大。
焊前分段数控加工工艺。焊前分段加工的目的主要是为了保证焊接工序的需要,加工出焊接面、焊接基准,并为焊接变形留有足够的余量。焊前分段加工的工艺直接影响焊接工艺,影响到焊后整框的变形及加工余量,焊前数控加工工艺需要关注以下方面:
(1)所有焊缝设计为直线,且焊缝两端各往外延长一些,这样可以使焊缝的头端和末端的引弧位置处于零件以外。
(2)焊前加工外形、槽底面和侧面都留足够余量,用来抵消焊后整框的翘曲变形。
(3)焊前焊口面注意留合适的余量,用来抵消焊缝的收缩。
(4)焊口面的垂直度和表面粗糙度精度要高,保证焊接时对接缝隙要足够小。
(5)为提高切削加工效率,这一阶段以大规格尺寸刀具为主,采用机夹式带涂层可转位刀具,以大切深、宽切削、快进给,实现高效切削。经实践证明,上述的焊前加工方案设计总体是成功的,能够满足整体框的焊接和加工要求。 
 
焊后整框的数控加工工艺
钛合金的切削加工瓶颈就是加工效率低,仅为45 号钢的20%~40%。整体框的数控加工工艺主要考虑切削效率、零件尺寸精度控制、平面度控制和曲面形状控制。焊后整框工艺规程设计需要采取以下工艺措施:(1)焊接式整体框数控加工之前要对零件焊后变形进行测量,根据测量数据确定加工坐标系的原点。
(2)由于焊接变形和各框段间有错位, 所以要安排定位基准孔与基准面的修复加工。
(3)加工前铣掉焊接引弧块,以保证外形加工余量的均匀分布。
(4)此类加工属重型切削,必须选择主轴、大扭矩和足够功率的机床。
(5)槽腔的侧面和底面要分别加工。
(6)先加工筋顶面,先三轴后五轴,先面后孔,这样可以减少崩刃、让刀,降低孔加工难度。
(7)大型整体框应合并工序,减少翻面。
(8)外形精加工采用焊接式长刃立铣刀,采用小切宽,大切深,一次加工完成,表面粗糙度小。
(9)压板数量要足够多,保证装夹系统和工艺系统的刚度。
(10)选择可以提高刀具表面硬度、耐高温、抗磨损、高强度、减小摩擦系数、提高温度和化学稳定性的涂层。加工过程中应严格监控刀具的磨损与破损,及时更换磨损的刀具。
(11)应保持切削液的充分、连续供给。
(12)粗加工侧面时,有硬的氧化皮,应采用逆铣,其余处则采用顺铣方式较好。
(13)严格执行工艺规程中规定的每个程序的切削参数,不能盲目追求加工效率而提高切削速度,确保零件表面不被烧伤。
 
钛合金框缺陷的修复
1. 微小缺陷的局部修复
钛合金接头上的微小缺陷( 如疏松) 的修复是非常轻易的。采用钻孔或打磨的方法将受影响的区域清理干净,然后进行填补。需要留意的是一定要确保焊补金属已经完全填充了修补区。
2. 线性显示的修复
假如X 光底片显示疏松已经呈线性显示,则可以采用表面重熔的办法进行修复。该表面重熔时所采用的能量应当比先前焊接时所采用的能量要大,以确保将潜伏的疏松均熔化透。假如该方法不奏效,或者该缺陷本身就非常严重,则只好将整个焊接区清理干净,然后重新焊接。这一缺陷的修补费力而且会增加本钱,在操纵时一定要留意保证质量。
3. 变形
由于焊接时局部热输进较大,而且钛合金导热性差,从而在焊接处四周产生非线性应力。开始时熔池由于金属被加热而形成,从而在熔池四周产生应力集中。然而,由于金属的基体大,而熔池和热影响区相对区域要小,从而应力在接头和热影响区四周累积。假如由于热膨胀产生的力超过了基体金属的压应力,则局部塑性变形就导致结构的永久变形。变形的类型和程度主要受材料的性质、受约束的程度、接头的设计、添料方式和焊接过程所影响。
4. 基体材料性质
影响变形的基体材料性质主要有热膨胀系数(系数越大,变形越轻易) 、单位体积的热容( 热容越小越轻易变形) 等。由于变形是张应力和材料压受力相互作用的结果,因此热膨胀系数对变形程度具有至关重要的影响。简单的计算和实际操纵发现钛合金变形的程度位于钢和不锈钢之间( 即变形程度稍高于钢而稍低于奥氏体不锈钢) 。
5. 抑制夹具
假如零件在焊接时不进行夹持,则它的变形会导致应力得到开释。因此各种用来防止移动和变形的夹持方法在焊接时得到应用。但需要指出的是,夹持越紧,则在材料中产生的应力越大。所以为了减少变形,首先要使用刚性夹具并在夹具上进行冷却,从而限制变形;焊接工艺上要采取对称性的焊接操纵和公道的焊接顺序,由于使用了刚性夹具固然使变形得到抑制,但夹具往掉后还会产生新的变形;焊接夹具的压力一定要均匀,否则也会产生变形。
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