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摘要：随着复材产业的不断发展，对复合材料工装的需求将不断增加，难度也在增加。复材成型模具存在着型板外形成型精度差，框架焊接变形及焊接参数控制、型板漏气、机械加工精度不达标等问题，严重影响了复材模具质量，无法加工合格产品，在此对框架结构的复合材料成型模具工装型面焊接修复进行研究。
关键词：框架焊接；焊接修复
引言
我国航空工业在复合材料应用领域处于起步的阶段，大型飞机是目前中国航空工业集团正在研制的新一代飞机，提高复材工装的制造水平，是适应复材制件的发展要求和保证复材制件质量的基础。复材成型模具，不仅要求工装保证足够的刚性、气密性、升降温速率，而且需要保证零件与工装的热匹配性及工装结构的热稳定性，它们直接影响着零件的精度，如何经济快速的修复复材成型模具的型板，国内无太多借鉴经验，因此对框架结构的复材成型模具的型板的修复方法进行研究。
1.复合材料模具结构
采用钢板框架式结构
钢板框架式复合材料成型模具重量轻,热容量小,在框架中间和沿型面薄板的上下表面热空气可任意流动,且钢板具有优良的热传导性,大大缩短了模具的升温和降温时间,提高了生产效率。钢板框架式复合材料成型模具的使用,解决了升温速率的问题，解决了使用铸铝模具影响产品表面质量的问题。
钢板框架式复合材料成型模具由10-12MM厚的钢板组成,可以多套同时进炉生产,提高工作效率,降低生产成本.钢板框架式复合材料成型模具已大量用于飞机复合材料构件的生产,并取得很好的效果.钢板框架式复合材料成型模具可广泛用于采用真空袋-固化炉,真空袋-热压罐成形方法的复合材料构件的生产.真空袋-固化炉,真空袋-热压罐成型方法是复合材料构件的一种常用成形方法,各种不同类型的飞机大中型复合材料构件多用此方法生产.钢板框架式复合材料成型模具对真空袋-固化炉,真空袋-热压罐成形方法有良好的适应性,可生产高质量的复合材料构件.钢板框架式复合材料成型模具适合先进复合材料构件生产工艺可方便地设置激光铺层定位机构、内模定位机构。钢板框架式复合材料成型模具与复合材料基本成型模具相比具有可靠、使用寿命长、费用低的优点。
2.特点
基于产品的结构特点，成型模的结构不仅要保证足够的刚性和气密性，还要求满足很高的型面精度，这样才能保证零件与工装的热匹配性及工装结构的热稳定性，它们直接影响着零件的成型精度。
成型模的制造，必须达到以下要求：
1）型面公差0.1；
2）耐压0.7MPa以上，长期使用不变形；
3）耐温200°C以上，要求温度传导性及均匀性好；
4）具有良好的气密性，真空渗漏检查为：抽真空0.08MPa以上，关闭真空阀5分钟后，真空下降不应超过0.010MPa；
5）工作表面粗糙度1.6；
6）零件成形后，起模方便
钢板框架式成型模具可以多套同时进炉生产,提高工作效率,降低生产成本。框架设计时综合考虑了成形构件形状、大小及型板结构形式，框架在保证模具有足够的刚性、强度、稳定性的情况下，重量尽可能轻。框架采用金属框架，材料为INVAR36。
图1框架成型模
框架由厚度10㎜的纵横框板焊接而成。在与型板贴合的框架立面上开半圆槽，以满足零件成形时的温均性及升降温速率要求。
3.技术重点研究
解决框架焊接变形、型板焊接漏气的有效方法；
3.1控制框架、型板的型面准确度
框架成型模由框架、型板、模体焊接而成，是典型的焊接结构。焊接结构中出现的变形表现在尺寸、形位、强度等几个方面，主要是影响结构的尺寸精度与几何形体精度。焊接结构变形不仅存在于焊接工序生产中，而且广泛存在于焊接结构生产的所有环节之中，即从下料开始，生产、调运、制造和最终装配的全过程。因此，解决变形问题，实际上是一个全过程控制问题。
3.1.1框架结构
框架纵横筋板采用插接结构，型面采用等离子切割下料，控制型面误差1mm以内，纵横隔板按最小外形下料，外形增加相邻两基准边，提高框架型面的的准确性，焊接后避免二次数控加工型面，各对缝处按数模，单面加大1.5~2mm下出，避免安装时板料变形，安装困难。
组装焊接时，各隔板应按一定方向顺序摆开，以基准边为准定位，在焊接平台上局部点焊，调整相对位置，再在各隔板点焊牢固，控制焊接变形量不大于1mm
3.1.2控制框架型板焊接质量
根据型板的复杂程度，一般需要将框板分成若干小块，型面复杂的需采用单独的模具加工成型，小板之间采用x形焊接倒角，双面手工电弧焊接，保证型面焊透，避免漏气
对接焊缝的焊件常需做成坡口，故又叫坡口焊缝。坡口形式与焊件厚度有关。当焊件厚度很小（手工焊6mm，埋弧焊10mm）时，可用直边缝。对于一般厚度的焊件可采用具有斜坡口的单边V形或V形焊缝。斜坡口和根部间隙c共同组成一个焊条能够运转的施焊空间，使焊缝易于焊透；钝边p有托住熔化金属的作用。对于较厚的焊件（t>20mm），则采用U形、K形和X形坡口。对于V形缝和U形缝需对焊缝根部进行补焊。
(a)直边缝；(b)单边V形坡口；(c)V形坡口；(d)U形坡口；
(e)K形坡口；(f)X形坡口
图2焊接坡口形式
焊接后局部采用增加工艺样板的方法，检查拼接型板的准确程度，在型板上增加工艺基准定位线。
3.2控制框架焊接变形的有效措施
焊接时采用，各隔板应放平与平台上，保证焊接基准一致，采用先焊接短边，再焊接长边，先点焊后端焊的原则。
3.2.1采用整体去应力退火
成型模由框架、型板、模体焊接而成，焊接应力将对后续加工产生很大的变形影响，所以必须进行完全退火处理，热处理工序安排在成型模焊接成型后进行。
完全退火的目的是为了细化晶粒、均匀组织、消除热加工缺陷。在中碳钢焊接件中，焊缝处的组织不均匀，热影响区具有过热组织和魏氏组织，存在很大的应力，这些组织使钢的性能变坏，必须进行完全退火处理。经过完全退火处理后，焊缝组织发生重结晶，晶粒得到细化，组织均匀，魏氏组织及带状组织得以消除，焊接应力大大减小。
INVAR钢完全退火温度820~840°C之间，碳钢完全退火的温度控制在600~650°C之间，加热保温时间~2小时。退火后的冷却速度小于100°C/h，炉冷，退火时，为了控制变形，将工装固定在工艺框架上，控制型板、框架的变形，用螺栓压板压紧，消除焊接变形，完全退火后，工装型板保持与底面贴合。
3.2.2焊接参数的控制
3.2.2.1焊前准备
1）、根据施焊结构钢材的强度等级，各种接头型式选择相反强度等给牌号焊条和合适焊条直径。
2）、当施工环境温度低于零度，或钢材的碳当量大于0•41%及结构刚性过大，构件较厚时应采用焊前预热措施，预热温度为80℃～l00℃，预热范围为板厚的5倍，但不小于100毫米。
3）、工件厚度大于6毫米对接焊时，为确保焊透强度，在板材的对接边沿应开切V型或X型坡口，坡口角度а为60°。钝边P=0～1毫米，装配间隙б=0～1毫米；当板厚差4毫米≥4毫米时，应对较厚板材的对接边缘进行削斜处理，
4）、焊条烘培：酸性药皮类型焊条焊前烘焙150℃×2保温2小时；碱性药皮类焊条焊前必须进行300～350℃×2烘焙。并保温川、时才能使用。
5）、焊前接头清洁要求，在坡口或焊接处两侧30毫米范围内影响焊缝质量的毛刺、油污、水、锈脏物，氧化皮必须清洁干净。
6）、在板缝两端如余量小于50毫米时，焊前两端应加引弧、熄弧板，其规格不小50×50毫米。
3.2.2.2、焊接材料的选用
1）、首先应考虑母材强度等级与焊条强度等级相匹配和不同药皮类型焊条的使用特性。
2）、考虑物件工作条件，几承受动载荷、高应力或形状复杂，刚性较大，应选用抗裂性能和冲击韧性好的低氢型焊条。
3）、在满足使用性能和操作性能的前提下，应适当选用规格大效率高的铁粉焊条，以提高焊接生产效率。
3.2.3.3焊接规范
1）、应根据板厚选择焊条直径，确定焊接电流
表1板料对应焊接电流表
该电流为平焊位置焊接、立、横、仰焊时焊接电流应降低10～15%；＞16毫米板厚焊接底层选Φ3.2mm焊条，角焊焊接电流应比对接焊焊接电流稍大。
2）、为使对接焊缝焊透，其底层焊接应选用比其他层焊接的焊条直径较小。
3）、厚件焊接，应严格控制层间温度，各层焊缝不宜过宽，应考虑多道多层焊接。
4）、对接焊缝正面焊接后，反面使用碳气刨扣槽，并进行封底焊接。
模具选用参数板料厚度20mm，焊接坡口x型，双面焊接，先铺底，焊接电流130A，板料对接焊接时，焊接电流选用188A，焊条4.0mm，通过试验，在此参数下，焊缝焊接质量通过试板验证，满足使用要求。
4结论
通过此项目的研究，解决了钢框架成型工装的焊接变形、漏气的难题，降低了加工成本。着眼未来，随着复材技术的不断更新、新材料的广泛应用，特别是(殷钢)成型模良好成型特性，其对框架、型板成型的特殊工艺方法及成型、焊接参数确定，成为未来科研的重点，复材框架的研制是一个不断总结不断完善的过程，此项研制有利于更好的控制加工质量、满足生产进度需求。