钛合金管件无扩口连接技术研究技术
TRIZ理论在提高航空油管TA18钛合金无缝管扩口率中的应用
TRIZ理论在提高航空油管TA18钛合金无缝管扩口率中的应用作者：李永林李修勇来源：《科技创新与品牌》2017年第01期摘要：航空油管TA18钛合金无缝管材的扩口率要达到60%，目前这一指标国内无法突破，我国该材料也只能从国外进口。
本文基于TRIZ解决技术问题的方法和流程，从TA18钛合金无缝管材的整体工艺技术出发，运用TRIZ工具对技术系统进行深入的分析，找到解决问题的入手点。
论述运用了小人法、因果链分析、功能分析、技术矛盾和物理矛盾、矛盾矩阵、发明原理、知识库等工具的过程。
最后通过实践验证和小批量生产验证解决了这一行业难题，并通过分析现有专利状况，形成了专利布局图及知识产权保护建议。
关键词： TRIZ理论； TA18钛合金；无缝管；扩口率引言TA18钛合金管材由于其良好的综合性能，大量用于飞机和发动机液压及燃油等管路系统，早在20世纪70年代就在美国高科技领域军用、航天和民用飞机上作为液压、燃油等管路应用[1-4]。
用于航空液压管的TA18钛合金管材要求其扩口率达到60%，而目前企业实际达到的水平为30%而且不稳定，因此本文利用TRIZ理论解决TA18合金管材扩口率低的问题，攻克这一技术难题。
1 初始问题描述1.1 TA18管制备过程TA18钛合金无缝管材的生产流程：海绵钛+中间合金→熔炼→铸锭→锻造→棒坯→挤压→管坯→轧制→热处理→成品管材。
1.2 主要问题采用目前的工艺技术生产得到的TA18管的扩口率经测试最好水平达到30%，而且批次产品之间的扩口率测试值不稳定，无法达到协议要求的60%，造成此产品一直无法满足用户使用要求。
2 TRIZ解题流程2.1 系统分析2.1.1 因果链分析图1为导致TA18管扩口率小于60%的因果链，从图中可以看出直接原因：管材表面有缺陷或组织异常；退火温度不适宜。
通过图3因果链分析，可得到的启示方案有：①控制退火温度保证材料的强度和塑性匹配达到最佳；②在选择挤压管坯时，选取尺寸均匀的，这样组织也比较均匀一致；③加强镗孔和表面处理，确保管材表面无裂纹和划痕等缺陷。
钛管的焊接特性及焊接工艺技术分析
钛管的焊接特性及焊接工艺技术分析摘要：钛材以其优良的耐腐蚀能力，且造价相对其他钛合金较低，在化工行业管道上获得了广泛的应用。
本文针对钛合金焊接特性，焊接区需要多重氩气保护，增加了焊接施工的难度，过对钛管焊接工艺规范的不断摸索，以及对试验过程出现的问题的合理分析，总结出钛管焊接工艺特点及操作要领，通过在分工，焊接工艺参数和施工方法等方面的改进，提高了凝汽器钛管焊接一次成功率。
关键词：钛管；焊接一次成功率；氧化色彩；裂纹；气孔；钛管焊接试验；焊接工艺参数0前言钛材料具有良好的耐酸碱的腐蚀能力，且造价相对其他钛基材料较低，目前，化工行业较多的走腐蚀性较强介质的管线都趋向于选用这种钛基材料。
由于钛管敏感的焊接特性和各种外部因素导致在钛管焊接过程中钛管焊缝极易出现氧化色彩、裂纹、气孔等缺陷。
从而降低了钛管焊接一次成功率，对工程质量造成负面影响。
为提高钛管焊接一次成功率, 针对以钛管焊接容易出现的焊接缺陷，进行了详细分析和钛管焊接试验。
求找到合适的焊接工艺参数、正确的焊接对方等以提高钛管焊接一次成功率。
1、钛合金的焊接特性钛合金的焊接性能，具有许多显著特点，这些焊接特点是由于钛合金的物理化学性能决定的。
1.1气体等杂质污染引起焊接接头脆化钛材具有良好的焊接性能，在常温下，钛及钛合金是比较稳定的。
但是其在焊接过程中，温度达到250度时开始吸氢；温度达到400度时开始吸氧；温度达到600度时开始吸氮；从而使焊缝的硬度、强度增加，塑性、韧性降低，引起脆化。
钛及钛合金焊接时气孔是最常见的焊接缺陷。
焊丝或母材表面清理不干净或氩气不纯都会造成气孔产生，因此保护气-氩气纯度要求在99.99％以上。
在实际生过程中，只要能有效的控制这些气体元素的来源，就能有效的控制钛材的焊接质量。
（1）氢的影响氢是气体杂质中对钛的机械性能影响最严重的因素。
焊缝含氢量变化对焊缝冲击性能影响最为显著，氢的增加会使钛的焊缝金属冲击韧性急剧下降，而塑性下降少许，氢化物会引起接头的脆性，其主要原因是随缝含氢弹量增加，焊缝中析出的片状或针状TiH2增多。
浅析扩散连接技术在钛合金加工中的应用及研究进展
浅析扩散连接技术在钛合金加工中的应用及研究进展摘要：钛合金虽然易加工,能够实施切割、研磨、化铣和幢孔,也可以钎焊和焊接,但对于高性能的用途来说,扩散连接可增加这些钛合金的利用性，扩散连接的必需条件是接合面之间的紧密而均匀的接触，这些接合面就是在严格控制的高温下和延长的时间周期内照此保持接触。
关键词：扩散连接技术；钛合金加工；应用；研究进展引言钛合金的优点有很多，如：强度和比刚度高、耐腐蚀性好以及高温力学性能优良等，因而被广泛应用于航空、航天和其他工业领域。
在一些钛合金复杂结构、薄壁精密结构的制造工艺中，由于扩散焊连接具有独特的优势而愈来愈受到重视，对钛合金的研究也逐渐成为扩散焊领域研究的热点之一。
1扩散焊原理及特点所谓固态的扩散焊接是一种获取整体接头的方式，其是通过高温下材料外表的局部塑性变形使接触面之间紧贴来保障连接材料表层上的互扩散，因而产生了原子量级上的结合，便形成了整体的接头。
扩散焊是在可以控制的压力作用下，把处于紧密接触状态的零件，加热到预定的温度并保温一定时间的过程。
这些条件使两个需要连接的零件的表面产生塑性变形与达到最大程度的接近和原子的扩散，从而保证接头与基体材料的强度相同。
扩散焊具有一系列优点，不需要昂贵的钎料、焊条、熔剂和保护气体;此外，也不需要焊后机械加工，因为没有氧化皮、焊渣和焊瘤，从而消除了昂贵金属的损失;不会增加构件的质量，这一点是其他形式的焊接、钎焊和胶接所无法避免的;零件不会发生翘曲以及连接区的金属性能不会发生变化。
真空扩散焊是获得与基底金属等强度的钛及其合金接头的有效方法之一。
首先，零件的形状及尺寸大小允许应用此方法;其次，允许在接头的周围形成真空和施加压力以保证焊接表面间的紧密接触。
扩散焊与熔化焊的不同之处在于:扩散焊时，连接材料的表面并不熔化，因为焊接温度低于基体金属的熔化温度。
它与钎焊的区别在于，熔化了的中间夹层，在扩散的过程中，完全弥散到被焊接的基体材料中去了。
无扩口导管组件连接强度试验及夹具设计
２
沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报
第２ ８卷
成 的弹性管路连接 ， 图 １ 如 所示 。无扩 口卡套式 导 管接 头密 封原 理 是 通 过拧 紧外 套 螺 母 ， 相 应 使
的管套 外 侧 和 管 接头 ２ 。 ４ 内锥 面 （ 图 １所 示 的 如 弧形线 ） 紧密接 触 而获 得 密 封 的 。在 导管 内部
Ｋｅ ｒ ：ｆａ ｅｅ ｓｃ ｍｐ ｓｔ ｂ ｃ ｎ ｅ ｔ ｎ ｓ ｅ ｇ ｅ ｔ ｉｔ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ ｌ ｒ ｌ ｓ ｏ ｏ ｉｅ ｔ ｅ； ｏ ｎ ｃ ｏ ｔ ｎ ｔ ｔ ｓ ；ｆｘ ｕ ｅ ｕ ｉ ｒ ｈ
据统计 ， 液压导管的重量 占液压系统总重量
的 ３％ 一 ０ ， ０ ５ ％ 它几 乎分 布 在 飞 机机 体 的各个 部
摘
要： 基于无扩 口组合导管连接强度试验详 细介 绍了用于该试 验的夹具设计过程。该 夹具解决
了以往连接强度试 验时 ， 万能试验机夹 头对试 验管壁 所产生 的径 向挤压作用 力 的问题 ， 免 了对 避 试验管件 的径 向挤 压所 造成的变形损坏 ， 通过开 展无扩 口导管 组件连接强 度试 验 ， 明该种夹 并 证 具具有 高效 、 经济 、 简单 、 实用 的特点 ， 可以推广应用于各类液压导管 的连接强度试验 。 关 键 词： 无扩 口导管组件 ； 连接强度试验 ； 夹具
第２ 卷 第５ ８ 期
２ １ １ １ 年 ０ ０月
沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报
Ｊ ｕ ａ ｆ Ｓ ｅ ｙ ｎ ｒ ｓ ａ ｅ ＵБайду номын сангаас ｖ ｒ ｉ ｏ ｒ ｌ ｏ ｈ ｎ ａ ｇ Ａｅ ｏ ｐ ｃ ｉ ｅ ｓｔ ｎ ｙ
ＶＯ１ ２ ． ． ８ Ｎｏ ５
钛管道的焊接
钛管道的焊接摘要：本文在充分分析钛金属焊接性能的基础上，根据钛金属的焊接特点，着重介绍了钛金属焊接过程中应该注意的事项，详细论述了钛金属焊接前、焊接过程中以及焊接完成以后采取的各类防护措施，为以后同类产品的成功焊接提供必要的参考和借鉴关键词：活动对口卡具、外保护气体托罩、内保护紫铜防护气罩、全管道保护紫铜皮气罩、气体置换、保护气体检测、铁污染检测等1 前言钛金属因其优异的力学性能和耐腐蚀性能，正日益被航天、造船和石化等行业广泛应用；但是，由于钛金属具有较强的的高温化学活性，也使其成为一种较难焊接的一种金属。
本文结合我国近年来石油化工装置建设中的钛管道实践，对施工现场的钛管道焊接进行了探讨。
2 钛金属的特性钛是一种银白色金属，具有密度小、熔点高、线膨胀系数小和导热性差等特点。
钛与氧的亲和力很强，在室温条件下就能在表面生成一层致密而稳定的氧化簿膜，由于氧化簿膜的保护作用，从而使钛具有了良好的耐酸、碱腐蚀性能。
钛通常有两种晶格结构，在882℃以下为密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上为体心立方晶格结构，称为β钛。
常用钛金属的牌号、化学成分和力学性能见表1。
表1 常用钛金属的牌号、化学成分和力学性能钛金属在常温下的化学性能比较稳定，但随着环境温度的升高，其化学活性急剧增大，对空气中氧、氮、氢等杂质的吸收能力也随之急剧增强，在固态下就有很强的吸收各种气体的能力。
研究资料表明，钛从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，且随着温度的提高，其吸收能力也随之增强。
当钛金属在吸收了一定数量的氧、氮、氢等气体杂质之后，其屈服极限和延伸率等性能将急剧下降。
3 钛金属的焊接性分析3．1 焊接脆化分析虽然钛金属在常温下化学性能比较稳定，但在焊接过程中，由于熔池金属、液态熔滴和熔合区及热影响区均处于高温状态，故其化学活性急剧增大，具有极强的吸收空气中氧、氢、氮等杂质的能力。
当钛金属在焊接过程中吸收了一定数量的氧、氢、氮等杂质后，其焊接接头性能将产生以下变化：（1）钛金属在高温焊接状态下吸收的氧，将熔入金属晶格间隙，形成间隙固溶体使金属晶格发生畸变，增大晶粒滑移阻力，产生固溶强化，从而导致焊缝金属变脆、韧性下降。
TRIZ理论在提高航空油管TA18钛合金无缝管扩口率中的应用
２ ． １系统分析 ２ ． １ ． １闪果链分析 １ 为 导致Ｔ Ａ１ ８ 许 扩 牢小于６ ｏ ％１ ￣ ９ ｌ 链， 从 ｌ Ｉ 】
ＴＡ１ ８ 钛 合 金 缝 管材 的乍 产流程 ： 海 绵钛＋中 合
可 以看出直接原 因： 箭材表面有缺陷或组织 异常； 退
功能分析、 技术矛盾和物 理矛盾、 矛盾矩阵、 发明原理、 知识 库等工具的过程 。 最 后通过实践验 证和小批量
生 产 验 证 解 决 了这一 行 业 难 题 ， 并 通 过 分 析 现有 专 利 状 况 ， 形 成 了专 利 布 局 图及 知识 产 权保 护 建 议 。
关键词： Ｔ Ｒ Ｉ Ｚ 理论 ； Ｔ Ａ１ ８ 钛 合 金 无 缝 管 扩 口率
定 义功 能 ： 制 备管材 （ 改变 形状 ， 改 变 内部结
构排列 ） 搜 索可用的方法 ： 浇铸 法 、 挤压法 、 拉拔 法 、 轧
制法、 锻 造法 （ 旋锻 、 快锻、 模 锻 和 自…锻 ） 、 焊 接 法、 机加钻 孔法 、 斜轧穿孔 法、 粉未成 型法 、 激光 快
速 成型法。
图２ 基于Ｆ Ａ Ｓ Ｔ ￣功能分析
的， 每 个小人 之 间没有 紧密结 合， 这 样 在受 到外力
作用时 ， 如扩 口或压 扁时， 每 个小人之 间由丁结 合 力低 ， 容易被 外力突破 ， 也就 造成 扩 口率 仅维 持 在 ３ ０ ％左右 ， 满足 不 了客厂１ 要求 的６ （ ） ％的 指标 。 图３ ｂ 为 通 过 小人法得 到的理 想 的Ｔ Ａ１ ８ 成 品管横 截面的 微 观组织 小人模 型 图， 这一模 型 的好处 足每 个小人 火
图３ Ｔ Ａ １ ８ 管微 观 结构 小人模 型
钛及钛合金的连接
《先进难焊材料的连接》期末作业钛及钛合金的连接姓名： __________学号： ______班级： ____钛及钛合金的连接摘要：钛及钛合金由于密度小、强度高、耐热耐腐蚀性能优异而广泛地应用于航空航天、石化工、造船等部门。
目前高性能的飞机、坦克正在采用钛合金部件，而且在石油化工部门中钛合金部件使用的范围也正在逐渐扩大。
而钛合金在飞机及其发动机和石油化工部门上的应用，不可避免需要使用焊接手段进行连接，这对扩大钛合金的应用范围具有重要的意义。
本文主要是对有关钛及钛合金的连接做一定的综合评述。
关键词：钛及钛合金;焊接材料；焊接技术；应用及发展现状一、引言随着产业结构的变化和科学技术的发展，先进的焊接结构是降低材料消耗、减轻结构质量的有效途径, 各种焊接技术将有着广阔的应用前景。
钛及其合金具有优良的耐蚀性、小的密度、高的比强度及较好的韧性和焊接性，在航空、航天、造船、化工等工业部门中得到广泛应用。
钛属于多晶形材料，基本上决定了钛合金焊接时的行为。
适于钛及其合金的焊接方法有很多，但对焊接方法的分类国内外各有差异，潘际銮等人把它分为3 大类：族系法、一元坐标法和二元坐标法。
而最常用的族系法又分为3 种：熔化焊接、固相焊接及钎焊。
钨极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等熔化焊接方式在钛及钛合金的焊接中应用广泛，在钛及钛合金的焊接中，钎焊适于焊接受载不大或在常温下工作的接头，对于精密的、微型复杂的及多钎缝的焊件尤其适用。
其他焊接方法如：高频焊、爆炸焊、摩擦焊、扩散焊等随着焊件的具体焊接情况而采用相应地焊接方法。
二、钛及钛合金的分类及特点钛是一种具有机械和腐蚀性能优异的金属材料且强度大、密度小，仅为钢的57%，具有良好的热稳定性及低韧性。
同时因为钛对卤素化合物、有机酸氧化性酸类具有良好的耐蚀性在氯碱、尿素、硝酸生产中得到广泛的应用。
根据钛合金退火状态的室温组织钛合金可分为三种类型a型钛合金、（a + B）型钛合金及B型钛合金。
钛管道焊接工艺技术施工方法分析
（ 陕西化建工程有 限责任公 司， 陕西 西安 ７ ２０ ） １１０
摘 要： 文章 对 钛 材 质 管道 的施 工工 艺编 制 了施 工技 术方 案 ， 对钛 管 道 的 性 能 进 行 详 细 分 析 ， 并对 其 在 我 国
的焊 接 工 艺技 术应 用现 状 进行 总 结 ， 以期 进 一 步推 动我 国钛 管 道 工 业发 展 。 关 键 词 ： 管道 ； 术 ； 接 钛 技 焊
２ 钛 的 焊 接性
区 小、 变形小 ， 有利于提高焊接生产率和焊接质量 。焊 ？ 接材料 ：Ｒ ｉ Ｅ Ｔ一 ２焊丝 ， 纯度为 ９ ． ５ 的保护气 ， ９９ ％， ９ 用含水
气体 等杂质污染而引起焊接接头脆化 ，钛是一种活 量不应大于 ５ ｇ 。 ０Ｍ ％ｍ 的氩气 ，对焊接熔池及焊接接头 性金属 。它在常温下能与氧生成致密的氧化膜而保持高 内外表面温度高于 ４ ０ ０ ℃的区域均采用氩气保护 。 的稳定性和耐腐蚀性 ； 在高温下与氧 、 、 、 氮 氢 碳都有很强 的亲和力 ， 反应速度较快 ， ３０ 在 ０ ℃以上快速 吸氢 ，０ ℃ ６０
构 转 变 温 度也 不 相 同 。 与氧 的亲 和 力很 大 ， 至 在 室 温 钛 甚 下都能迅速生成稳定而致密 的氧化膜。 由于此膜 的存在 ，
４ 焊 接方 法
焊接方 法采用 Ｇ Ａ Ｔ Ｗ，对于管子壁厚 ８＜５ｍ ｍ的
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个 整体 ， 实 现导管 和管套 密封的 目的 。 预装后导 管胀 形后 的槽深控 制 ， 是确保
机械 式液压 预装器 ， 是根据 手动 预装器挤 压成形 原理 ， 并参考有 关资料 ， 对
组合导 管 质量 的重 要因素 。 影 响导管 预 装成 形槽 深质量 的因素 很多 ， 主要有 以下三 个方 面 。 （ １ ）国 内导管 原材 料本 身 的管 径及 壁厚 公差 偏大 、 壁厚 不均 ， 会影 响 预装辅助件 的配 合尺寸 间隙 ， 另外辅助件 材料 的选择也 会直接 影响到 槽
引言： 发动机钛合金导管的无扩口连接技术是发动机管路未来连接的主要
方 式之一 ， 是 从 国外 引进 的一项新 技术 ， 具有 高密封性 、 重量轻 、 防震 自锁 、 不用
表 １ 导 管 管壁 挤入 套 管 内 的槽 深尺 寸
单位 ｍｍ
打保险 、 方便 维护等 特点 ， 在 国内飞机制 造 中已经普遍 采用 ， 是一 项成 熟可靠 的
深尺 寸 。
（ ２ ） 成形 工艺 、 成形压 力 对槽 深 的影响 也很 大 。
图１ 无 扩 口连 接导 管
Ⅱ
（ ３ ） 测量 工 具 的合理 性 及测量 方法 也 与槽 深测量 的准确 性相 关 。
作 者简介 ：
吴宏春 （ １ ９ ８ ３ ． ０ ２ ） ， 男， 籍贯， 河北 唐山 ， ２ ０ １ １ 年 毕业于 北京航 空航 天大 学。 自 毕 业至 今一 直从事 航 空发动 机精 密件 加 工和试 验 专业 。
理论 广 角
Ｉ ■
钛 合 金 管件 无 扩 口＿ 连 接 技 术 研 究 技 术
吴宏春 杨 茜 潘宝 山
（ 驻沈 阳 黎 明航 空 发动机 （ 集团） 有 限 责任 公 司军 事代 表 室 １ １ ０ ０ ４ ３ ）
［ 摘 要］ 介绍 了钛合 金导 管 无扩 口连 接 的成 型原理 与 成 型设 备 ， 并 进行 了大 量 的试 验 ， 得 到 了保证 槽 深尺 寸及 满 足性 能的 无扩 口接头 ， 初 步 掌握 了该 项 技 术， 填 补 了技术 空 白 。 ［ 关键词 ］ 钛合 金 无扩 口 成 型 中 图分 类号 ： Ｒ６ ９ ５ 文献标 识码 ： Ａ 文 章编号 ： １ ０ ０ ９ ～ ９ １ ４ Ｘ（ ２ ０ １ ５ ） ２ ２ — ０ ３ ４ ８ 一 Ｏ ｌ
４ ． ２ 成 形槽 深要 求
密 封是通 过拧 紧外 套螺母 ， 使管套 弧 型面与 管接 头 内锥 面紧 密接 触而获 得 由
于 管套具 有 一定 的弹性 ， 当螺母拧 紧后 ， 形成一道 线 密封 ， 同时在管 路作 用下 ， 使 导管 、 管 套和 管接 头 的接触 更 紧密 ， 因此压 力越 高 ， 密封 性 能越好 。 ３ ． 无扩 口导 管 成形设 备
８： １
腿 Ｉ 戕ｔ ｔ ， Ⅱ 们０ ０ Ｉ Ｉ ３ ｎ ｌ ｎ ． ￡ ｝ 艄
图２ 无 扩 口连 接导 管 加工 尺 寸 图
＾ ＾
”
图 ３ 无扩 口导 管 成 形原 理
３ ４８ 科 技 博 览
挤 压无 扩 口导 管 由管套 、 螺母 、 导 管组合 而成 ， 由上 图１ 可知 ， 该 连接 结构 的
角或毛 刺划 伤。 根 据设计要 求 ， 无扩 口端 头需要 露出管 套２ ｍ ， 为 保证在 成形过
程 中上端 面始终垂 直于导管 轴线 ， 必须 有一个 垂直要 求 ， 取 垂直 公差为０ ． ２ Ⅱ ｌ Ｉ ｎ 。
技术 。 挤压 无扩 口导 管利 用压力 越高 密封 越好 的 自密 原理 ， 解 决 了高压 导管 的
强度密封 问题 。 但无 扩 Ｅ ｌ 打 偶感成形 技术 的质量控 制是确保 导管 成形质 量的 关
键， 经 过大量 的试 验 ， 已经基 本掌 握 了该 项技术 。
手动设 备进 行 了一些 改进设 计 制造 的。 它 由两 个预装 机 头、 电动机 、 油泵、 安 全 阀等组 成 ， 当系统调 压过 载时 ， 系 统 自动 卸荷 ， 保 证 了安全 ， 且 电路设 有保 护 装
置。
１ ， 无 扩 口连接 导 管结 构 无 扩 口连接 结 构导 管结 构如 图 １， 两端 均 采用 无扩 口连 接结 构 ， 图 ２ 为
扩 口后 的尺 寸要 求 。 ２ 无扩 口导 蕾成 形原 理
４ 、 挤 压无 扩 口导管 工 艺要 求
４ ． １ 导 管端头 加工 Nhomakorabea无扩 口对 导管端 头要求 内倒角 ， 主要是 为了保护 胶套在 装卡过程 中不被 尖
５ 导管 无扩 口成 形技 术难 点分 析 挤压 式无扩 口导 管成 形原理 ， 就 是借 助预装 设备 在一定 区 间内 ， 利用 胶套
挤压 式无 扩 口导管 预装 成形 采 用机械 式 液压 预装器 其结 构如 图３ 。
３ １ 机械 式液压 预装 器设 备介 绍
压 缩 的胀力挤 压导 管 内壁 ， 将管 壁紧 紧地压 在管 套两 环形槽 内， 使 之结合 成为