钛合金焊接在民用飞机维修中的应用

钛合金材料具有密度低 、比强度高 、耐热性好等优点 ，对于减轻飞机结构质量 、提高结构效率 、改善结构可靠性具有极其重要的作用。因而被广泛应用于现代 民用飞机的机体结构上 ，其应用水平的高低已成为衡量飞机先进性 的重要指标。

目前 ，在飞机的生产制造过程中采用了多种先进 的钛合金焊接技术 ，相关工艺方法 已很成熟 ，但 已有 的钛合 金焊接技术并 不能直接运用 于飞机维修中，需要根据飞机维修的实际情况进行综合考量 ．既要保证工艺方法便于实施 ，又要确保受损结构件经过维修后可恢复零件的功能要求 。保证飞机的持续适航。此外，虽然钛合金结构件性能优越，但加工工艺复杂 、订货周期长 、价格 昂贵 ，如果对 于发生损伤的结构件直接报废换新 ，将大幅增加维护成本 ，也会造成飞机非计划停场，给航空公司带来严重的经济损失。针对受损 的钛合金结构件 ，如果能提供适用的焊接修理程序。既能保证维修后的功能要求和飞机的持续适航性 ，又能降低航空公 司运营成本 ，提高飞机签派率 ，将具有非常重要 的意义。

本文根据生产过程中采用的钛合金焊接方法和AW S 航空器熔焊标准。结合维修单位的焊接修理经验 ，明确 了焊接修理等级的划分标准 ，介绍了修理程序的制定方法 。并对程序验证 、焊接施工 以及文件管理的要求进行 了详细说 明。这为提高某型国产支线客机的维修性，并促进钛合金焊接技术在飞机维修领域 的广泛应用奠定了基础。

1 钛合金焊接修理要求

钛合金焊接方法主要包括钨极气体氩弧焊 、等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊、扩散焊等。其中钨极气体氩弧焊是最常用的钛合金焊接方法 ，该方法可有效进行薄板连接和打底焊 ．通过选用合适 的工艺参数可达到较好 的焊接效果 ，适用于飞机上钛合金结构件的焊接修理。但该方法焊速较慢、焊件变形较大、焊缝组织较粗 大，焊缝中易产生气孔和钨夹杂，焊接过程中易出现气体保护不良等缺陷。

因此对于钛合金的焊接修理程序必须经过严格的工程分析和评估。考虑到焊接修理的危险性，关键修理区域的强度分析报告和焊接修理程序都 必须经过监管 单 位 批 准 后 才 可实施。

2 焊接修理分类

焊接修理 的分类应 重点考虑受损结 构 的重要性 。对于承受飞行载荷 、地面载荷 、增压载荷和操纵载荷具有重要作用 ．并且它们的失效可能影响保证飞机安全性所必需的结构完整性的结构件 ，其对应的焊接修理等级应最高 。同时 ，焊接修理的分类还应综合考虑工艺控制 、检查和验收标准的情况。

确定 的焊接修理等级可能较初始设计要求更为严格 。除非进行了强度分析 ，并完成 了机械试验数据的获取或者部件验证 ，否则一般不会低于初始设计要求 。如果需要降低焊接修理等级 ，其所依据的强度分析报告必须得到相关监管单位的批准。

焊接修理等级 的划分可根据公认 的惯例进行 ，但应确保涵盖如下定义：

(1) 关键焊接 ：针对关键 的结构件 ，对其进行焊接修理前需要预先完成强度分析 ，依据焊接的位置和焊接类型来确定修复是否充分。同时要避免焊接对重要结构件造成金相或者机械性损伤。

(2) 次关键焊接 ：针于次关键结构件 ，对其进行 焊接修理前需要预先完成强度分析。

(3)非关键焊接 ：针于非关键结构件 ，如果焊接修理位置处于会导致非关键结构失效或者造成系统功能丧失的区域 ，则应评估是否需要在对非关键结构进行焊接修理前完成强度分析。

3 焊接修理程序制定

3.1 技术要求

针对关键和次关键焊接修理 。为达到要求 的设计强度 ，焊接技术要求应包含但不限于以下方面 ：基本参数或者热输入量 、熔宽 、焊缝补强 、焊接顺序 、位置 、焊料强度 、工艺 、焊接前和焊接后热处理或者时效处理 、预热和层 间温度。

针对非关键结构 的修理，除非焊接修理有其他要求 。否则无额外的技术要求。

3.2 焊接者和焊接操作资质

针对关键和次关键焊接修理 。焊接者和焊接操作人员必须符合相关要求。对于焊接者 的一般要求包括 ：

(1)身体要求 ；视力 良好 ，允许视力矫正。至少每两年进行一次视力检查 。可根据焊接修理工艺要求 。额外提 出其他合理的身体条件要求。

(2)资质要求 ：焊接人员应完成规定的焊接测试操作 以证明焊接能力 。焊接测试 内容不包含在维修过程中未使用的操作 。焊接测试 中所采用的焊接工艺 、母材成分 、母材厚度以及焊料应与焊接修理程序一致。

针对非关键焊接修理 。除焊接修理有其他要求外 。对焊接者和焊接操作人员无额外 的资质要求。

3.3 焊接工具选择

在对航空器结构和部件进行焊接修理前 ，所使用的工具必须满足焊接修理工艺的要求，并经过适当的维护和校准 。焊接设备需具备保证焊接质量和致性 的能力。所用工具均具有有效期 内的检验合格证。

对于飞机上的钛合金结构件修理 ，一般采用敞开式手工钨极气体氩弧焊。所使用的焊接工具需要根据母材厚 度进行选择 ，明确钨极直径 、电流强度 、电弧 电压 、喷嘴直径 、喷嘴与焊件的距 离 、氩气流量等参数。建议使用具有正确气体透镜 的焊枪 ，并配合使用拖罩和背面保护装置 ，对熔池 、热影响区和焊缝背面进行保护 ，防止空气进入焊接高温区 ，影响焊缝组织，造成焊缝起皱等工艺缺陷。

3.4 焊料选择

焊料的选择应符合相关工艺要求 。或者经过验证并得到监管单位批准。为保证焊缝具有足够的强度和塑性 。一般选用与母材成分相同的焊料。

3.5 待焊接零件的清洗和其他准备

零件上所有待焊接表面 ，或者可能影响焊接质量的表面 ，例如焊料或者夹具的表面 ，均应进行清洁 ，以去除熔渣 、氧化皮 、鳞状 物 、表面处理涂层 、滑油、润滑脂、污垢或者其他污染物。可使用化学清洗方法或者机械清洗方法 。其中化学方法包括碱液清洗 、溶剂清洗 、酸洗 、浸蚀法：机械方法包括钢丝刷清理 、锉刀清理 、喷砂 、喷丸 、磨削等方法。对 于一般的小范围焊接 ．可使用砂纸小心打磨待焊接零件 ．去除钛合金表面的氧化皮 。为防止材料在焊接过程或者焊后出现裂纹和较大变形，应进行预热和层间温度控制。根据焊接工艺 、零件构型和焊接环境 ，明确适用 的温度值 ，以降低形成裂纹和变形的趋势。不允许使用氧乙炔焊炬进行加温。

3．6 接地

在钛合金焊接过程中一般使用直流电源 ，并采用正接法。因焊接过程 中电流较大 ，在飞机上进行焊接修理前 ，电气接地的通路必须经过工程评估和计算 。不合规的接地方式可能会导致人员伤亡和设备损坏。

3.7 焊后处理

完成焊接修理后需进行应力消除 ，主要 的应力消除方法包括热处理消应法 、超声冲击消应法 、振动时效消应法。其 中，热处理消应法效果最好 ，但因钛合金热处理温度较高 。且 需要在真空条件下进行 ，故成本较高 、使用范围较窄。超声波冲击装置前部狭小 ，现场操作方便 ，是一种较好的替代方法。

3.8 验收标准

根据焊接修理要求制定专门的验收标准 。检查区域应 包括焊接修理位置，以及焊接 处周围最低12．5mm的区域。一般采用以下检查方法：

(1) 目视检查 ：在无损检测前 ，应由具备相应资 质的人员对所有的焊接修理区域进行 目视检查。

(2)表面探伤 ：所有的焊接修理最后都需要进行渗透检测。因钛合金为非磁性材料 ，故不能使用磁粉探伤。

(3)内部检查 ：针对关键和次关键结构的焊接修理 。不管焊接等级如何 ，都必须进行射线检查或者超声波检查 。

4 焊接修理程序验证

焊接修理程序必须经过验证。除非焊接修理程序有其他要求 ，否则经过验证的通用焊接程序 同样适用于焊接修理程序。

针于关键和次关键焊接修理程序 的验证 ，必须使用相同的母材 、焊料和焊接工艺。

针对非关键焊接修理程序的验证 ，在经过工程评估后，可不作要求。

5 焊接修理实施

5.1 安全注意事项

钛合金焊接修理操作具有一定的危险性 ，应从以下方面进行防护 ：

(1)电弧危害 ：电弧可能会造成人员伤亡 ，严禁接触带电部件。焊接者应佩戴干燥的手套 ，并穿着胶底工作靴。操作人员应站立或者坐在干燥 的木板或隔离平台上。

(2)烟雾和有害气体 ：焊接过程会产生烟雾和有害气体 ，这会对操作人员造成伤害 。过度暴露在这样的环境 中会刺激皮肤和呼吸系统 ．并可能导致严重的并发症。因此 ，工作场所应保持足够的通风。

(3) 噪声：严重的噪声会对健康造成危害。过度暴露在噪声环境中会造成听力永久性或者暂时性丧失 ，也会对身体的其他功能造成危害。操作者应佩戴防噪耳机 、耳塞等个人防护设备。

(4) 灼伤保护 ：熔化 的金属 、火星 、熔渣或者焊接造成 的高温工作面都会对人员造成伤害。操作者应穿着使用阻燃材料制作 的防护服 ，并佩戴护目镜。在需要接触灼热部件或者拿持 电气设备时 ，需要佩戴隔热手套 。

(5)防火 ：熔化的金属 、火星 、熔渣或者焊接造成的高温工作可能会造成火灾或者爆炸。必须清除焊接区域内的可燃气体 、蒸汽 、液体或者可燃物粉尘，并使用阻燃材料对无法移除的可燃物进行保护。在飞机上进行焊接时，应在焊接后继续对工作区域观察 30min ，确认无火灾隐患 。

5.2 施工要求

(1) 焊接准备

在开始焊接前 ．确认焊接设备符合焊接修理程序要求。焊弧只能接触待焊接表面，不可接触母材 的其他部分。如果在熔敷金属之外的区域发现电弧放电或者电弧烧伤的迹象，则焊接修理不符合要求。

(2) 返工要求

在对焊后零件进行验收检查前 ，允许进行返工 。但返工不能改变母材的金相或者物理状态 。返工必须在对焊后零件进行热处理前。进行返工前，待焊接表面需要进行清洁 ，以去除氧化皮和其他污染物。对于每处缺陷位置允许进行一次返工 ，如需进行多次返工 ．则需根据焊接维修程序中相关要求执行 。所有的返工操作均需进行存档。

(3)焊缝补强去除

进行焊缝补强去除时 ．必须保证去除方法不会减 小母 材厚度 。一般 在 以下情况 进行焊缝 补强去除 ：

根据焊接修理程序 中要求进行去除 ，必须严格遵照规定的去除范 围限制。

影响无损探伤检查操作时需进行去除。但保存的 焊缝补强应明显高于接头处表面，并覆盖焊缝熔宽。

焊缝补强影响安装或者焊后零件的功能时需进行去除 ，但保存的焊缝补强应明显高于接头处表面 ，并覆盖焊缝熔宽 。

(4)零件错位

对于焊接后零件存在错位的情况，除非焊接修理程序有其他要求 ，否则针对金属薄片、金属板和金属管路的焊接 。

（5）角变形或者突起

可以采用合理的焊接设计和焊接施工程序，预防和控制焊接残余变形。除非焊接修理程序有其他要求 ，否则焊后零件角变形或者突起偏差量应小于 5°。

6 焊接修理文件管理

焊接修理的记录应按照相关监管单位的要求进行维护。对于在实施焊接修理前完成 的强度分析报告 ，需要存档并接受客户审查 ，存档时间应符合相关规定要求 ，或者保存 7 年 ，以后到者为准 。

针对关键和次关键 焊接 修理的文件必须存档 ，并确保包含如下信息 ：

①位置(标识结构的图纸号 、结构框号 、与可识别外形结构间的距离等)；②修理尺寸和修理范围；③ 母材和焊料；④ 工艺；⑤程序；⑥ 焊接者 ；⑦检查方法和结果 。

7 结论

7.1 建立了民用飞机钛合金焊接修理方案的制定流程 ，并对修理方案 中应包含的技术 内容及操作要求进行 了初步定义。

7.2 在飞机设计与制造中使用的钛合金焊接技术可应用于飞机修理过程 ，但应对机上状态 、施工环境 、工艺条件 等进行综合考虑 。

7.3 制定焊接修理方案前应根据损伤发 生的位置、对飞机功能的影响程度划分修理等级 ，有针对性地开展维修工作 。

7.4 钛合金结构件 的焊接修理方案应经过工程分析和必要的验证 ，并获得监管单位的批准 ，相关维修文件需要存档管理。

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