一种钛合金折叠翼面的加工制造方法与流程

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。

技术实现要素：

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：U_b＝130Kv-150Kv

聚焦电流：I_c＝1980mA-1990mA

电子束流：I_b＝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：U_b＝130Kv-150Kv

聚焦电流：I_c＝1980mA-1990mA

电子束流：I_b＝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：U_b＝130Kv-150Kv

聚焦电流：I_c＝2220mA-2230mA

电子束流：I_b＝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。