水下液压装配平台结构特点及工艺设计.pdf

第 2期 总第 1 7 1 期 2 0 1 2年 4月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEE RI NG ＆ AUT MATI N NO ．2 Ap r ． 文章 编号 1 6 7 2 - 6 4 1 3 2 O 1 2 O 2 0 0 9 9 - 0 3 水下液压装配平台结构特点及工艺设计 戴 乐 海军驻洛 阳四O七 厂军事代 表室．河南 洛阳4 7 1 0 3 9 摘要 莱水 下拖曳体液压伺服 系统装 配平 台采用框 架式焊接结 构．对装 配平 台结构特 点进行 了简要介 绍，重 点介绍 了装 配平 台的主要加工 工序 、焊接 工艺以及 防止焊接变形采取的措施。 关键词 焊接 ；装配平 台；结构 ；工艺设计 中图分类号 TH6 9 3 ． 9 文献标识码 A 0 引言 某水下拖曳体液压伺服系统的装配平台采用框架 式焊接结构 ， 其材料是一种高强、 高韧 、 耐蚀 、 可焊的船 用钛合金 Ti 8 0 。由于平台在工作 中受到液压伺服系 统的强烈振动， 工作环境恶劣， 长时间工作后焊缝容易 产生疲劳裂纹， 最后扩展为断裂 ， 影响水下拖曳体的正 常工作。因此， 平台焊接质量的好坏直接影响到水下 拖曳体的正常使用 ， 特别是焊后残余应力的消除以及 焊缝的合理分布。 1 装 配平 台的结 构特 点 装配平台选用高强、 高韧、 耐蚀 、 可焊的船用钛合金 T i 8 O 材料制作， 采用框架式整体焊接成形， 以降低制 造成本。焊缝按 J B ／ T 4 7 3 0标准进行 1 0 0 X射线检 验， 要求达到 Ⅱ 级， 平台整体焊缝多， 有些焊缝要求为焊 透结构 ， 焊接变形大， 整体制造精度和质量要求高。装 配平台结构示意图如图 l 所示 。伺服缸与装配平 台装 配时， 要求两个伺服缸同轴度达到 0 ． 4 r f L r n 。伺服缸 与装配平台装配示意图如图 2所示。 图 1 装配平台结构 示意图 2 关键技术及解决措施 装配平台的材料为高强度船用钛合金 T i 8 0 ， 由 于平台在工作中受到液压伺服系统长时间大冲击力的 作用， 为保证质量不采用拼焊成形 。如果采用板材， 材 料成本太高 ， 因此大部分零件采用 Ti S 0合金铸锭锻造 加工的方法制造 ， 锻造后再进行机加工 ， 组装焊接。 2 ． 1 Ti 8 0合金 锻造 加 工 根据 T i 8 0合金的特点， 采用在合金 卢相区的高温 锻造 ， 坯料在 』9 相区加热， 在 相区开始并完成锻造的 工艺方法。钛合金经“ 锻” 变形时 ， J 9 晶被拉 长， 晶内 产生很多变形带 ， 在一定温度和一定速度条件下 ， p相 开始发生动态再结 晶。当 卢相完全再结晶时， 变形后 的组织完全由等轴 晶粒组成。高温锻造会使钛合金 的塑性 降 低， 对 于 T i S 0合 金 来 说， 当 锻造 温度 为 9 9 5。 C ～1 0 2 4。 C、 压缩量为 5 O 时 ， 其延伸率至少可 保证 1 3 ， 断面收缩率至少可保证 2 5 ， 可见钛合金 经高温锻造后其塑性还是有一定保障的。与两相区锻 造相 比， ．19 相 区的高温锻造能得到较 高的高温强度、 收稿 日期 2 0 1 l _ 1 1 1 4 l修 回 日期l 2 0 1 1 1 2 1 5 作者简介 戴乐 1 9 8 5 - ，男 ，河南 洛阳人 ，助理工程师 ，硕士 ，主要从事特种金属焊接 的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 2 年 第 2期 塑性和断裂韧性 ， 另外 高温锻造还有利于钛合金低 周疲劳性能的提高。 图 2偷 服缸 与装 配平 台装 配 示 意 图 2 ． 2 Ti 8 0合 金机加 工 从 切 削刀具 耐用 度 、 加 工 表 面质 量 以及 切 屑 形 成 和排除的难易程度等方面衡 量， 钛合金属于难加工材 料。钛合金导热性差 ， 机加工时切削热量不易散发 ， 导 致切削温度很高 ， 降低了刀具的耐用度 ； 钛合金在高温 时化学活性很高 ， 机加工时在零 件表面形成非常坚硬 的氧化硬层， 加工时影响工件表面的粗糙度和光洁度， 另外还会加快 刀具 的磨损； 钛合金弹性模量低 ， 强度 高， 屈强比大， 切削 时易产生大 的切 削变形 和弹性 恢 复， 造成工件弯曲变形 ， 引起振动， 影响加工精度， 加工 后零件变形回弹大 ， 易引起 变形。T i 8 0合金切削加工 可以选择硬质合金刀具 ， 与钛合金亲 和力小 ， 导热性 好 ， 采用高浓度极压化冷却液进行冷却 ， 同时应尽量减 少工件转夹次数 ， 以减少工件变形 。 2 ． 3 Ti 8 0合 金焊接 钛合金焊接易产生脆化、 裂纹、 气孔等缺陷， 因此 在焊接时使用纯度不低于 9 9 ． 9 9 的氩气进行保护， 对焊缝的正面 、 背面和热影响区都要进行保护， 必要时 应使用氩气拖罩保 护， 防止氢、 氧、 氮 等元素的污染。 另外在焊接前一定要彻底消除焊件表面和焊丝表面上 的氧化皮油污等有机物， 在焊接时控制好氩气的流量， 防止紊流现象产生 ， 影响氩气保护效果 。 2 ． 4 伺 服缸 与装 配平 台同轴 度的控 制 为保证两个伺服缸与装配平台装配完成后两伺服 缸同轴度要求达到 0 ． 4 mm， 采用如图 3 所示的焊接 工装控制焊接变形 。底板和直梁留有机加工余量 ， 焊 后整体进行热处理 以消 除焊接残余应力， 热处理后不 能马上拆除焊接工装筋 ， 2 4 h后再拆除 ， 机加工可达 到同轴度要求。 3主要 加工 工序及 措施 装配平台焊缝要求高 ， 其 中有几处焊缝要求为焊 透结构， 焊接变形大 ， 焊后残余应力大 ， 给焊后整体机 加工带来了较大 的困难。制定焊接工艺时， 应充分考 虑焊接变形的控制和焊接应力的合理分 布， 特别是 同 轴度要求高的接板附近和要求焊透的支撑腿附近焊缝 焊接 ， 平 台直梁和平台底板应 留有一定的机加工余量， 保证整体机加工后能够满足整体尺寸精度要求 。 图 3平 台 焊接 工装 图 主要加工工序为 支撑腿与支撑板组 焊一支撑腿 与平台底板、 平 台直梁组焊一 提火热处理一粗加工平 台底板一整形一接板定位工装与接板装配固定一平台 直梁与接板组焊一接板加强条与接板组焊一超声冲击处 理一平台整体退火消应热处理一平台半精加工一撤除焊 接工装筋一平台整体校平、 修磨一平台整体精加工。 实际加工时应采取 的措施 是 ①焊接过程中平台 底板点焊工装条， 接板问固定加强筋防止焊接变形 ； ② 对同轴度要求高的接板采用接板定位工装板与接板装 配固定 ， 用工装轴将定位工装板与接板刚性联接紧固 控制变形； ③焊接时采用对称、 快速焊 ， 严格控制焊缝 的焊接热输入量 ， 焊接层间温度小于 5 O。 C ； ④每焊一 道焊缝后 ， 立即对焊缝进行超声波冲击消应处理 ， 整体 焊后应进行整体退火消应处理 ， 消除焊接残余应力， 改 善焊接应力分布。 4 焊接过 程 4 ． 1 焊 前准备 在焊接前对焊接工件一定要进行严格清洗， 应采 用机械清理和化学清理两种方法保证焊接坡 口及近缝 区表面的清洁 ， 用质量分数为 5 9 ，6 的 HF 质量分数为 3 5 的 HN 酸洗液对坡 口及两侧 5 0 mm 范围内的 油污、 铁锈等清洗干净， 直到露 出金属色泽， 在焊前用 电弧在工件表面再进行一次热清理 。采用电动磨头打 磨坡口， 将坡 口表面打磨光亮 ， 禁止采用打磨过碳钢的 磨头， 打磨时不允许出现过热的色泽。 4 ． 2焊接 工艺 采用手工钨极氩弧焊， 焊丝为 Ti 8 0 2 ． 0焊丝 。 焊接时采用对称焊， 保证焊缝焊透， 焊缝高温区正、 反 面采用氩气拖罩保护 ， 保证焊后焊缝及热影 响区表面 颜色为银 白色或者淡黄色。焊接时应严格控制该处焊 缝的焊接热输入量， 层间温度小于 5 O。 C。具体焊接工 艺参数见表 1 。 4 ． 3 焊缝表面超声波冲击处理 焊缝采用超声波冲击处理 ， 可 以改善焊接接头焊 趾区外形的几何形状 、 消除焊趾表面缺陷、 降低应力集 中和消除焊缝表面一定的焊接残余应力。焊后超声冲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 2期 机 械 工 程 与 自 动 化 1 O 1 击可以提高焊缝的疲劳强度和疲劳寿命 ， 还能够 改善 疲劳数据的分布规律 ， 降低疲劳数据的离散性 ， 使疲劳 数 据 呈均 匀化 分布 。超 声处理 改善 焊趾 几何 形状 的 同 时可以降低应力集中， 也可以起到一定的消除焊接残 余应力的作用 ， 使焊接残余应力整体降低和均匀化分 布。每焊一道焊 缝后 立即对 焊缝进行超声 波冲击处 理， 超声波冲击处理工艺参数见表 2 。 表 i 焊接 工艺 参数 焊接电流 焊接 电压 焊接速度 喷嘴直径 气体流量 保护气 A V C m／ ml n L ／ mi n 打底 焊枪 ； 质量分数大 1 0 0～ 1 4 0 1 1 ～ 1 6 8 ～ 1 0 1 8 1 2 ～ 1 6 于 9 9 ．9 9 盖 面 托罩 1 】 0～ 1 5 0 1 6 ～ 3 0 的氩气 表 2 超声波冲击处理工艺参数 超 声波冲击设备型号 H1 2 0 5 0 超 声波振 动频率 k Hz 2 0 最大输 出振值 t t m 3 0 冲击效率 c m。 ／ rai n 3 ． 6 额定功率 W 6 0 0 冲击宽度 mm 3 ～5 空载电流 A 1 ． 8 工作 电流 A 1 ． 3 ～1 ． 6 4 ． 4伺服 缸 架整体 焊后 热退 火 消应热 处理 焊接后必须整体进行消除残余应力处理， 残余应 力使材料在使用过程 中容易产生应力腐蚀 ， 甚至导致 焊缝开裂 ， 残余应力还降低了材料 的疲劳性能。退火 消应前应将伺服缸架放入热处理箱 内， 先用泵抽热处 理箱内真空 ， 然后往箱内充氩气 。当炉温升至 6 0 0。 C ～ 6 5 0。 C时， 将热处理箱装入炉 内， 保温 6 0 mi n后出炉 冷却 ， 冷却过程中充氩气保护。退火后 获得细小的等 轴晶粒， 塑性较高， 与韧性断口形貌是一致的。 5 结 束语 某水下拖曳体液压伺服系统装配平 台采用 T i 8 0 合金整体焊接成型， 整体机加工完成后 ， 检验所有尺寸 满足图纸设计要求， 特别是两伺服缸 同轴度高于设计 要求， 同轴度达到 D 0 ． 3 mm， 按 J B ／ T 4 7 3 0标准进行 X 射线检验， 达到 Ⅱ级要求， 所有焊缝表面按 J B 4 7 3 0标 准进行焊后表面着色处理， 达到 I级要求。水下拖曳 体液压伺服系统装配平台焊缝在液压伺服系统长时间 强冲击作用下未出现疲劳开裂现象 ， 工作情况 良好， 为 今后钛合金焊接工艺的制订提供了一定的借鉴 。 参考 文献 r 1 ] 肖瑁． 钛合金锻造工艺的现状与发展F J 1 ． 化学工程与装 备 ， 2 0 1 0 3 1 3 0 - 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