引言
随着我国对海防要求的不断提升, 提高军用装备的环境适应性已成为我军装备研究的重要方面。
本公司联合总体单位研制了一种新型水陆两栖车辆的特种汽车底盘, 作为先进武器装备之一, 能够满足多元化的两栖任务需求, 可提高车辆在海洋、 陆地、 滩涂等特殊环境适应能力, 将在维护国家海洋权益中发挥巨大作用。
每种先进装备的诞生都离不开新材料的应用,而现有水陆两栖车辆底盘常用材料为高强钢, 耐蚀性有待提高, 且无法实现轻量化, 降低了车辆承载能力, 缩短了使用寿命, 制约了水陆两栖汽车的发展。 钛及钛合金以其优良的综合性能走入人们的视野, 且是一种质轻高强、 耐蚀性好、 高低温度适应宽、 高弹性等性能优良的材料, 应用于汽车上可起到减重、 节能、 减震、 耐腐、 减污、 延寿的作用,提高汽车安全性和舒适性, 是实现汽车轻量化的理想材料[1-3]。
1 、钛及钛合金在水陆两栖汽车底盘上的应用
为实现轻量化和耐腐蚀的设计理念, 同时满足车体防护及刚度、 强度性能要求, 本公司联合总体单位研制的新型水陆两栖特种汽车如图 1 所示, 该车辆车架和车身及关键零部件选用 钛及钛合金材料[4]。
1. 1 防弹钛合金在车身上的应用
为提高特种汽车的综合性能, 用钛及钛合金代替车辆中的高强钢和防护装甲钢, 可达到整车轻量化的目标, 如美国将 TC4 钛合金用于装甲板取代部分钢材, 使装甲自身质量减小 40%左右, 取得了良好效果; 美国陆军 M2A2 布雷德利步兵战车舱口采用钛合金材料替代锻造铝合金后自身质量减小了35%, 并大大提高了防弹能力; 俄罗斯 T95 坦克炮正面采用强度高、 韧性好的全钛合金模块化装甲,使其抗击能力达到了 1500 mm 厚装甲钢板的抗击能力[5-6]。
根据水陆两栖特种汽车车身防护等级要求, 车身需具备一定的防弹能力。 根据 GJB59. 18—1988《装甲车辆试验规程装甲板抗枪弹性能试验》, 能够达到 53 式 7. 62 mm 口径普通钢芯弹 100 m 未穿透要求, 即 达 到 相 应 的 防 弹 能 力[7], 具 有 防 弹 钢 板Domaxprotect500, 防弹铝合金 7B52-T6 和高强钛合金 HST2425 最小厚度分别为 5, 18, 7 mm, 相较于钢材和铝合金, 钛合金单位防护面积质量比钢的小约 20%, 比铝合金的小约 35%, 且具有耐海水腐蚀性能好, 强度、 韧性与钢的相同[8-10]。 因此, 选用钛合金 HST2425 作为车身防弹材料, 在满足防弹要求的基础上, 同时具有轻量化、 耐盐雾及耐海水腐蚀性能, 有效提升了整车承载能力和海洋环境适应能力。
水陆两栖特种汽车车身效果图如图 2 所示[11] ,该车身蒙皮采用 7 mm 厚的防弹钛合金 HST2425 板材; 其骨架、 顶盖格栅和设备舱侧围格栅采用厚 2mm 的 TA2 薄 板 制 作, 均 采 用 氩 弧 焊 焊 接 方 式连接。
1. 2 钛及钛合金在车架上的应用
车架作为水陆两栖汽车的基体, 是整个特种汽车安全的核心, 绝大部分部件和总成都是通过车架来固定的。 作为整车骨架, 车架起着支撑连接汽车各个零部件并承受来自车内外各种载荷的重要作用,本公司特种汽车的底盘车架主要采用高强钢板作为基体材料。 为进一步提升水陆两栖汽车的机动性、运输性和承载能力, 在不降低综合力学性能的前提下, 该车型底盘车架选用钛合金材料, 相较于使用高强钢板, 可减重 30%以上, 达到轻量化的设计目的。 同时解决了两栖作战装备在海洋环境下腐蚀问题, 有效延长了装备使用寿命, 且具有高、 低温力学性能稳定特点, 能够满足多元化的两栖任务需求。
该水陆两栖汽车车架效果图如图 3 所示, 该车架主要由纵梁、 横梁、 悬架支座、 履带支座、 喷泵支架等结构焊合而成[12]。
1. 3 钛及钛合金在零部件上的应用
水陆两栖汽车重要零部件如横拉杆、 悬架、摆臂、 连接销轴等, 如图 4 所示, 使用环境要求其具有良好的耐海水腐蚀性能, 而 TC4∕TC6 合金因具有优异的综合力学性能和耐腐蚀性能, 是该水陆两栖汽车上适用的理想材料, 既达到了减重的目的, 又提高了自身耐疲劳性能; 自身质量愈小, 其振荡能耗、 噪声、 振动越小, 整车油耗减少, 随之性能提高, 同时耐疲劳性能及其良好的耐海水腐蚀能力意味着使用寿命延长, 汽车质量得到有效提升。
2 、钛及钛合金在水陆两栖汽车上的制造工艺
由于钛及钛合金在公司水陆两栖汽车上的大量工程化 应 用, 如 车 身 主 体 材 料 选 用 防 弹 钛 合 金HST2425、 车架主体材料选用纯钛板 TA2, 同时防弹钛合金材料属行业前沿新型材料, 其焊接无成熟经验可循。 为顺利开展该工程化样车的试制和焊接试验, 需从钛及钛合金材料的工艺性能、 应用性能方面, 对其工程化应用可行性进行评估和分析。
2. 1 钛及钛合金性能
防弹钛合金 HST2425 和工业纯钛 TA2 板材力学性能见表 1。 TA2 为 α 钛, 通过 O, N, C 与 Ti 形成间隙固溶体, Fe, Si 与 Ti 形成置换固溶体而起到固溶强 化 作 用, 显 著 提 高 钛 的 强 度 及 硬 度[13];HST2425 为 α+β 钛合金, 既具有良好的抗高温变形能力和热加工性, 又可通过热处理强化提高强度;其供货状态为退火态, 密度为 4. 5 g∕cm3, 弹性模量为 110 GPa, 洛氏硬度为 HRC32 ~ HRC37; 纯钛板TA2 相较于 HST2425 强度低, 延展性好, 易加工成形。
2. 2 钛及钛合金板材的下料和折弯成形
钛及钛合金板材以传统火焰切割+刨铣方式进行下料热影响区大, 金属损失严重, 材料利用率低,成本高, 效率低。 因此, 从经济性和材料利用率方面考虑, 纯钛 TA2 和钛合金 HST2425 宜采用水刀、剪板机等冷加工方式下料。 用于车架主体材料的TA2, 屈服强度及抗拉强度适中, 伸长率较高, 适用于冷弯成形。 但由于其弹性模量小、 屈服强度较
高, 冲压回弹的 Rp0. 2∕E 比值较大, 在成形过程中需考虑其折弯回弹对成形精度的影响; 对于 HST245钛合金, 由于其伸长率小, 易产生折弯裂纹, 不适合冷弯成形。
2. 3 钛合金车身和车架的焊接
该水陆两栖特种汽车车架和车身尺寸较大, 使用环境对结构密封性提出更严格的要求, 同时车身用防弹钛合金强度较高、 延展率较低、 冷弯成形较困难, 焊接是该水陆两栖汽车底盘车架和车身制作必然采用的方法。 为保证焊接质量, 需设计相应的工装和合理的焊接工艺参数。
2. 3. 1 工装制作
该水陆两栖特种汽车底盘车架的焊接主要包括:纵梁和横梁、 转向支座、 履带支架、 喷泵支架等的焊接。 由于在车架上装配的关键结构有较高的装配精度, 且需与上装船体配合使用, 对底盘车架、 车身的焊接工艺及施工提出了较高的要求。 为确保焊接质量和尺寸精度, 需在车架制作工程中使用焊胎和相应的工艺支撑。 车身结构设计了专用焊接定位工装, 主要包括地板、 侧围焊合、 前围定位焊接工装, 车身焊接工装实物如图 5 所示。
2. 3. 2 焊接工艺
由于钛及钛合金对空气中的氧、 氮、 氢等气体具有较强的亲和力 (300 ℃ 以上吸氢、 450 ℃ 以上吸氧、 600 ℃ 以上吸氮[13] ), 焊接时需将温度高于250 ℃ 焊缝区域全方位进行防护, 防止其因吸收氧、 氮、 氢等气体而产生缺陷, 所用氩气纯度要高于 99. 99%, 需对焊缝进行全方位保护, 同时对焊接环境要求较焊接普通钢板时相对严格。 在钛合金车架和车身焊接过程中采用氩弧焊, 使用自制焊接保护托罩, 对钛合金焊接区域进行有效保护; 使用工装时, 在夹具夹紧后方能点固焊, 夹紧后才能有效控制焊接变形, 保证焊接质量; 车架前后封板、底部封板与纵梁拼接焊缝、 车身拼接焊缝为长直焊缝, 采用对称焊接、 间断焊接, 使焊接变形相互抵消。
钛及钛合金板材进行焊接时, 焊丝的选用基于等成分原则, 因此选用与母材同牌号的焊丝。 推荐采用铈钨极, 也可采用钍钨极, 直径为 2. 4 mm; 所选焊接工艺参数应保证足够的熔透深度, 确保保护效果良好, 避免产生缺陷, 并尽量采用较小的焊接工艺参数, 此次焊接钛及钛合金板材采用的焊接工艺参数见表 2。
另外, 焊接完成后应特别关注焊接质量的检测,应对所有钛及钛合金焊缝和热影响区在焊接完工原始状态的表面颜色进行检验, 接头表面氧化色的合格判定标准规定为: 焊缝表面应为银白色, 当母材厚度>1. 5 mm 时按表 3 执行。
2. 4 钛及钛合金的加工
水陆两栖汽车底盘车架为整体式框架结构, 尺寸较大, 整体加工部位为车架的主减速器安装面、喷泵安装连接面及安装孔、 车架纵梁与上装船体支撑梁连接孔等, 加工精度要求高, 如喷泵安装孔位置度 0. 1 mm, 安装板连接面平面度 0. 05 mm∕m, 喷泵安装孔与端面垂直度 0. 05 mm 等。 因此, 加工设备选用 16 m×4 m 龙门镗铣加工中心, 并在一次装夹
下完成所有加工工序。
加工难点主要是装夹变形的控制、 刀具的选用和加工参数的优化等。 车架在装夹易引起变形, 加工前需使用专用装夹定位工装, 控制装夹前、 后加工面和车架基准面的平面度变化范围在 0. 5 mm∕m内; 基于钛合金的加工特性, 在加工过程中, 主要选用具有高硬度、 高耐磨性、 足够的强度和韧性的硬质合金刀具; 在模拟车架加工过程中加工参数逐步调整、 优化, 得出最佳工艺参数, 并应用于水陆两栖汽车底盘车架整体加工; 加工状态下的切屑易燃, 应及时使用切削液进行冷却。
2. 5 钛及钛合金的涂装
针对水陆两栖汽车涂装性能的要求, 确定了其涂层性能指标, 通过梳理现有涂装能力和涂装防护体系, 筛选出可用于涂覆试验的配套涂料体系。 对钛合金板前处理、 涂覆底漆和面漆后, 进行高低温、附着力、 耐冲击性能、 硬度等理化性能试验, 筛选出高性能的涂料并编制出钛合金涂装工艺, 固化涂装工艺参数并应用于车身的涂装过程, 取得良好效果。
3 、结语
(1) 首次使用钛及钛合金作为水陆两栖特种汽车底盘的主体材料, 提高了公司水陆两栖汽车底盘承载能力、 防弹性能及耐腐蚀性能, 提升了装备在陆地、 滩涂、 海洋等条件下环境适应能力, 从而提高了公司产品的竞争力。
(2) 通过水陆两栖汽车底盘的研制过程, 探索出钛及钛合金大型结构件下料、 成 形、 焊 接、机加工、 涂装等工艺方法, 使公司具有了钛合金车架、 车身及复杂零部件制作的全流程自制能力, 助力公司产品多元化发展, 可进一步拓展产品市场。
(3) 钛及钛合金在水陆两栖汽车上的应用, 对后续在特种汽车行业全面推广具有前瞻性和长远性,同时, 钛合金装备制造工艺的研究与应用对提升军用装备的环境适应性以及维护我国海洋权益具有重要意义。
参考文献:
[1] 张 妍,庞有俊,李 杨.钛合金与汽车轻量化技术[J].时代汽车,2019(19):12-14.
[2] 李 中.钛及钛合金在汽车上的应用[ J].中国有色金属学报,2020(20): 1034-1038.
[3] 任庆华,张利军, 薛祥义, 等.钛合金在轻量化地面武器装备中的应用[J].世界有色金属,2017(20):1-4.
[4] 杜宏斌,王玉刚,禹东方, 等. 一种新型水陆两栖车辆的特种汽车底盘: 中国, CN215244196U[P]. 2021-12-21.
[5] 郝 芳, 等.钛合金在装甲领域的应用综述[ J].材料导报,2020(34):293-296.
[6] 曹贺全,张光明,孙素杰, 等.装甲车辆防护技术研究现状与发展[J].兵工学报,2012,12(33):1549-1554.
[7] GJB59. 18—1988 装甲车辆试验规程装甲板抗枪弹性能试验[S].
[8] 王光临, 岳春光, 王更冯.7B52-T6 防弹铝合金中厚板 MIG 焊工艺研究[J].电焊机,2021,51(11):89-93.
[9] 郑超, 朱秀荣, 王军, 等.装甲钛合金的研究与应用现状[J].钛工业进展, 2020,37(4):41-48.
[10] 王光临.防弹钛合金中厚板焊接工艺试验研究[J].焊接技术,2022,51(2): 42-45.
[11] 周 朋,李 征,李欣星, 等.水陆两栖车驾驶室 (前倾):中国, CN306637378S[P]. 2021-06-25.
[12] 王玉刚,王光临,王更冯, 等.一种适用于水陆两栖车的车架总成: 中国, CN113119669B[P]. 2022-07-15.
[13] 李亚江.轻质材料焊接技术[ M].北京:化学工业出版社,2019.
作者简介: 王光临 (1988—), 男, 河南周口人, 硕士, 主要研究方向: 高强钢和有色金属的焊接及特种汽车总体设计.
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