张飞1 夏玉静2 王永兴3
中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西省西安市，710089
摘要：真空电子束焊接是一种能够有效提高焊接精度的技术，在对钛合金进行焊接时，能够提高整体的焊接质量和强度。本文就钛合金加强框真空电子束焊接应用进行探究，简单阐述钛合金加强框的焊接特点，并对真空电子束焊接的具体应用进行分析，旨在为相关工作人员提供几点参考。
关键词：钛合金；加强框；真空电子束焊接
引言：钛合金是一种具有较强物理性能但其重量较低的金属材料，目前被广泛应用于航天器材的构建与使用。在对钛合金进行连接的过程中，应尽可能的提高焊接的精准度，同时保障整体焊接的质量，相关人员选择使用真空电子束焊接技术来对钛合金进行焊接，保证整体的焊接效果，同时降低结构的重量，使设备器材得到了优化，有利于促进钛合金材料的使用和发展。
1钛合金加强框
钛合金是目前最具有发展性的合金金属种类之一，其整体强度相对较高，并且具有抗腐蚀性能，还具有较高的耐热性和耐低温性能，目前在航空航天领域的应用较为广泛。加强框是一种具有较强力学性能的构件，一般在飞机的制造中较为常见，在加强框的结构基础上对飞机进行设计和制造，能够有效提升其在飞行中的安全性。
使用钛合金作为加强框的主要构成金属，能够将钛合金的优势与加强框的优势进行整合，使飞机的强度有效提升[1]。使用钛合金来制作加强框能够有效提升整体强度，但合金的连接技术对于加强框的质量存在一定的影响。以往在对钛合金进行焊接时，常常使用机械连接，或者使用潜弧焊的方式进行焊接。受到技术的限制，在实际的焊接过程中，焊缝受到的影响较大，使整体的加强框的质量受到一定影响，因此，相关人员应选择更先进的焊接技术手段。目前，在对钛合金加强框进行焊接的过程中，使用真空电子束焊的方式较多，相比于以往的焊接手段，该技术使钛合金加强框的质量得到了加强。
2真空电子束焊
真空电子束焊是一种较为先进的焊接技术，其通过利用电子束的撞击将动能转化为热能，从而在高温条件下对构件进行焊接，电子束的范围较小，在焊接的过程中能够对其焊接点进行精准控制，提高焊接效果的同时，减少对周围材料的影响。真空电子焊接技术能够通过对电子束的调整，使焊缝更深并且更窄，对外部影响更小。
真空电子束焊技术的使用范围较为广泛，能够应用于不同金属或者合金的焊接工作中，即便是强度较大的钛合金，同样能够进行精准焊接。在焊接的过程中，最大深度在3米左右，焊接后焊缝较为干净，其内部不含有其他类化学物质，有效的保持了焊接的质量和效果，在焊接的过程中，电子束的控制效果较强，焊接的失误率极低[2]。利用该技术对钛合金等金属材料进行焊接时，消耗的能量相对较低，并且焊接时处于真空环境中，不会使金属与氧气等发生反应，影响焊接构件的质量，目前真空电子束焊技术广泛应用于航空航天以及精密仪器的加工中。
利用真空电子束对钛合金加强框进行焊接时，其整体的焊接效果相对优良，在实际的焊接过程中，通过对电子束的调整，结合钛合金加强框的特点，实现对其的有效焊接，并且能够应用在对钛合金构件中大厚构件的焊接中，避免发生焊缝疲劳等情况，在一定程度上促进了我国航空航天事业的发展。
3钛合金加强框真空电子束焊接应用
3.1钛合金加强框焊接设计
加强框是飞机中的主要承力的结构构件，其强度和重量等因素对于飞机的运行有着重要的影响。近年来，由于钛合金的理化性质较为优异，其开发和应用较为广泛。在相同构件的情况下，钛合金重量更轻，因此非常适用于航天产业的应用，但由于钛合金的强度较大，我国的焊接技术水平有限，导致实际的焊接情况受到一定的影响，在焊接件的接头处重量增加或者结构强度不足等情况时，将会对飞机的质量造成非常大的影响。近年来我国的真空电子束焊接技术水平逐渐提升，其在对大厚钛合金加强框进行焊接时，整体的效果也较为良好，结构较为完整，且焊缝质量符合实际要求，在焊接后不会使焊接处的重量显著提升，有利于飞机中加强框的使用。
在对钛合金加强框使用真空电子束焊接技术进行焊接时，需要对焊接构件和焊接技术实施过程等进行设计，以提高整体的焊接效果。在对钛合金加强框进行焊接的工程中，需要根据金属构件的实际情况和技术水平来设计和决定焊接的位置，合理布置焊接缝。一般情况下，需要将焊缝设置在受力相对较小的位置，并对焊缝的受力情况来决定其方向，避免其受到加大的载荷力，影响整体的焊缝使用效果。根据焊接的距离与强度要求，对焊缝的具体长度等进行设置，确保其能够满足设备的正常使用。
在钛合金的焊接缝处受到的力相对较为复杂，在设计的过程中，应根据钛合金加强框的框架结构等进行计算，根据现行积累损伤理论来对结构框架进行分析，在焊接缝受到的水平应力较低时，其实际焊接处的疲劳寿命相对较高，因此，应对焊接缝的位置进行调整，加强整体框架的使用效果。
3.2真空电子束焊实际操作
在实际焊接前应对电子束焊接技术进行检查和调整，相关人员可以在模拟构件上进行实验，得出适合在钛合金构件上使用的焊接强度，在多次实验后得到较为精准的数据，按照该数据来对实际焊接过程进行调整，使其更适合钛合金加强框结构的使用。根据不同形式加强框对焊接技术进行调整：
在对单环形焊接加强框结构进行作业时，首先应对整体构件的框架进行侧联合计算，设计好焊缝的位置，使用真空电子束焊来进行焊接，同时在表面进行喷砂，使构件的疲劳寿命得以提升。在焊接时，使用四点弯曲测量的方式来对焊接接头进行调整，使焊接接头处质量更为优良。
其次，在对多段双环形焊接加强框的焊接过程中，由于双环的结构相对复杂，在焊接时，使用的技术手段与单环构件的焊接技术相同，但需要对内部不同构件之间进行合理的设计与规划，确保构件的焊接效果在控制范围内。焊接过程中，需要保持整体构件的完整性，并且在核定荷载力的作用下保持稳定状态。
最后，对三段双环形加强框进行焊接时，由于整体框架分为三段，应对焊缝的位置进行优化设计，确保其受力最小。在设计焊缝时，可以通过三维技术来对飞机的框架结构进行分析，根据框架的计算结果，对框架的焊缝进行合理的优化，提升其精准性和强度，提升整体设计的效果[3]。
3.3焊接后的质量检测
在焊接完毕后，需要对焊接处进行实验验证，确保焊接的质量符合构件的实际需求。钛合金的质量关系到飞机的运行安全，构件结构变化以及焊接缝的质量直接影响构件的强度与稳定性。焊接过程中，受到电子束冲撞，焊接位置的温度较高，并伴随构件的热胀冷缩情况，因此，在焊接后，应进行相应的处理，避免构件的质量受到不良影响。如在对某钛合金构件进行焊接后，通过相应的热处理技术，能够将构件受到的残余应力除去，使构件质量和使用效果保持良好状态。
对构件的焊接处进行标准化质量检测，在焊接后，需要对构件的拉伸强度、韧性以及拉伸过程中存在的裂纹产生和发育过程进行分析和研究。相关人员应根据实际的实验，对构件的性能进行测试。在对钛合金结构进行质量检验时，需要对构件受到拉力、压力等的检查，在实际的焊接缝检测过程中，需要根据实际的情况来进行计算数据，以保障整体构件质量。
此外，对钛合金焊接缝进行疲劳性检测具有十分重要的意义，疲劳寿命是构件在发生疲劳损坏前经历的应力循环数，通常使用时间来进行计算，因此疲劳性检测非常重要。在对焊接缝进行疲劳性检验时，应根据钛合金的质量来对其疲劳特点进行总结，按照相应的理论经验对焊缝的疲劳寿命进行测试。在对构件进行疲劳程度测试后，应根据构件的设计质量情况，设计相应的保护措施。目前常用于提高构件疲劳寿命的方式包括：保持构件外观的光洁和圆滑，此时可以尝试使用表面喷砂技术或者使用抛光技术来使钛合金构件表面保持光滑。或者降低构件受到的压力和应力，在安装和设计时将焊缝部位放置在受力相对较小的位置。
3.4焊接过程中的注意事项
在对钛合金材料进行焊接的过程中，为提高整体焊接的实际效果，应加强对焊接过程中注意事项的管理。
第一，对焊接后产生的焊接缝进行等级划分。在焊接前，应对焊接的钛合金加强框进行分类，根据加强框的后续使用条件，加工标准以及对焊接缝的要求等进行划分。目前对焊缝等级划分时，主要分为三个级别，由三级到一级，焊接缝的强度要求不断提升，要求在焊接后能够承受较大的应力，以及动态的载荷力，同时，焊接缝受到损坏时，其产生的危害性也由一级到三级之间降低，在航空领域中使用的钛合金加强框一般按照一级焊接缝要求来进行焊接。
第二，在焊接后应正确处理产生的热量。使用电子束焊接技术时，会在局部产生较强的热量，对构件进行焊接。在焊接结束后，温度无法立刻降低，在高温条件下，若处理效果不良，很容易使钛合金与空气中的氧气等发生反应，从而对构件的质量产生不良影响。同时在高温时合金的硬度较低，处理不良会对合金的形状等产生影响，因此，相关的施工人员应根据焊接的情况制定相应的焊接后热处理方式，在标准处理方法的条件下，使构件保持良好的降温状态，以免影响构件的质量。
第三，在钛合金焊接完毕后，应对其进行质量检测，为避免对构件造成不良影响，在检测时，应使用无损检测技术。一般情况下使用超声波探测技术来对钛合金构件的焊接缝进行检测，了解焊接缝的内部是否存在缺陷，了解焊接部位的质量是否具有均匀性[4]。若在检测中发现其中存在不符合标准的焊缝，应根据焊缝的实际情况进行补焊或者重新设计焊接，严禁将焊缝质量不合格的构件应用在航空航天器械的构建中。若焊缝的质量符合标准，可以进行后续的其他检测项目。
第四，焊接部位表面强化。在钛合金构件中，焊接部位的承受能力相对较差，相比来说焊缝及周围的表面容易发生裂纹的情况，在受到焊接过程中的高温影响后，其热处理技术质量等直接影响表面裂纹情况，从而对于钛合金构件的疲劳寿命有一定的影响，因此，避免裂纹对构件质量的影响和破坏，应使用一定的表面强化技术来进行相应的处理，降低表面发生裂纹的概率。在对钛合金构件进行表面强化时，一般使用焊缝喷砂的方式来对表面进行强化。焊缝喷砂技术是通过利用净化后的压缩空气将适当的砂喷到钛合金构件表面上，达到去除表面缺陷的目的，常用的喷砂种类有石英砂、钢砂、氧化铝等。与未进行喷砂保护的构件相比，通过喷砂技术处理后，能够使构件的寿命延长10倍以上，并且在使用的过程中，保持较为良好的理化性质，有利于实际的应用。
结论：综上所述，在对钛合金加强框进行焊接时，选择电子束焊接技术能够最大化的提升构件的质量，在焊接的过程中，应按照构件需求进行合理设计，注意焊接中的注意事项，并在焊接后进行质量检测，确保钛合金构件的质量符合相应的标准要求，通过合理的焊接方式，提高构件使用效率。
参考文献：
[1]李晓龙,潘建东,乔忠生,等.钛合金加强框真空电子束焊接应用研究[J].航空工程进展,2019,v.10;No.37(01):128-135.
[2]陈启斌.TC4钛合金真空电子束焊焊接接头组织性能与腐蚀行为研究[J].四川冶金,2020,v.43;No.213(04):24-27.
[3]高福洋,高奇,韩林举,等.异种高温钛合金电子束焊接接头组织与性能[J].焊接学报,2020,v.41(08):78-83+106.
[4]李立峰,黎刚刚,马天驹,等.焊后热处理对钛合金电子束焊接接头残余应力分布的影响[J].热加工工艺,2019,v.48;No.519(17):161-164.
作者简介：张飞（1986.12—），男，汉族，陕西省西安市，硕士，工程师。
作者简介：夏玉静（1989.12—），女，汉族，辽宁省建昌县，研究生，工程师。
作者简介：王永兴（1988.11—），男，汉族，山东省蓬莱市，本科，经济师。