中國航空焊接/連接技術的發展與未來
- 2014-03-24 16:00:00
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先進連接技術的發展總是不斷地從新科技的成果中獲得新的出發點。20世紀初電弧應用于焊接產生了電弧焊，在造船、汽車、橋梁、航空航天等產業，創造出了很多大型焊接結構，使焊接成為一種重要的連接技術。20世紀中期，電子束、等離子弧、激光束相繼問世， 高能束連接技術應運而生，其應用如航空發動機的電子束焊接，立即創造出了明顯的經濟和社會效益。
新型材料的出現對連接技術提出了新的課題，成為其發展的重要推動力。 很多新材料，如耐熱合金、鈦合金、陶瓷、金屬基/陶瓷基/樹脂基/碳－碳復合材料等的連接，特別是異種材料之間的連接，采用通常的焊接方法無法完成，擴散焊、摩擦焊、超塑成形擴散連接、液相擴散焊、活性釬焊、高性能粘接與機械連接等方法應運而生，解決了很多過往無法解決的材料連接題目。
新產品、新構件和新器件對連接技術提出了新的要求，促進傳統連接技術的精益求精與連接技術的創新，以適應發展的要求，如微連接技術、精密釬焊技術、加活性焊劑的氬弧焊及電弧－激光等復合能源高效焊技術等。
焊接制造工藝由于其工藝的復雜性，以及對勞動強度、產品質量、批量等要求，使得焊接工藝對于機械化、自動化、智能化的要求極為迫切。目前電子技術、計算機技術、數控及機器人技術的發展為焊接過程的自動化與智能化提供了十分有利的技術基礎，并已滲透到焊接各領域中，近20年來，在自動焊接技術方面已取得很多研究與應用成果。
國內外先進連接技術發展現狀
1 先進/特種焊接技術
在航空飛機、發動機的研制和生產中，焊接技術已經成為主導工藝方法之一。它的進步與發展不僅能減輕飛機、發動機的重量，而且還為航空飛機、發動機結構設計新構思提供技術支持，促進航空飛機、發動機性能的進步。
（1） 國外情況
航空發動機結構中廣泛采用了各種焊接技術。焊接結構件在噴氣發動機零部件總數中所占比例已超過50%，焊接的工作量已占發動機制造總工時的10%左右。 在飛機結構中，F111的機翼支承梁（鋼結構）和狂風、F14的鈦合金中心翼翼盒、機翼盒形梁及整體壁板結構等重要的結構上采用了焊接技術。F22后機身前后梁采用了熱等靜壓鈦合金鑄件的電子束焊接結構，原蘇聯20世紀60年代研制的米烙25機體結構的80%（結構重量）是焊接的，焊縫長達4000多m，焊點達到140萬個。蘇27飛機，大量采用了鈦合金材料和焊接技術（60多項發明創新），是其保證飛機性能和減重的決定性因素。用氬弧焊、電子束焊制造了米格29的機身整體油箱和米格33的機頭（含座艙）。該油箱與原蘇聯D16鋁合金鉚接油箱相比，減重24%。其中，由于1420鋁鋰合金的密度小，減重12%（若重新設計，可減重15%～16%）；另12%是由于焊接結構省掉金屬重疊部分、鉚釘、螺栓和密封膠。該油箱可在機場條件下修理，由于該結構補焊后無需熱處理工序。 俄羅斯皮列亞寧院士1990年在我國講學時曾說過：“用發展的眼光看，其遠景將出現全焊接結構的飛機，不僅可省掉重達幾噸的密封件，更重要的是焊接過程比鉚接過程更易于實現自動化。”
（2） 國內情況
20世紀60年代以來，國內設計的飛機上采用焊接結構越來越少，飛機廠除增添了幾臺氬弧焊機（含脈沖氬弧焊）、三相低頻或二次整流點縫焊機和個別真空充氬弧焊設備外，三四十年一切如故，車間及設計陳舊不堪，技術水平下降。MD-82飛機的生產除導管感應釬焊和薄板TIG焊、點縫焊外，其余變化不大。
引進蘇27的生產權使國內航空界受到極大的震動。其機體的焊接組件部件近千件，涉及的零件近萬件，幾乎遍及整個飛機機體。重要的承力構件較多地采用了焊接構件，如高強結構鋼起落架的電子束焊，鈦合金隔框和梁的潛弧焊，2號油箱鈦合金下壁板和進氣道防護隔柵采用穿透焊，后機身的鈦合金蒙皮壁板采用TIG焊和點、縫焊，鋁合金、不銹鋼、鈦合金導管采用TIG焊、感應釬焊（含現場安裝感應釬焊）。通過建線及材料國產化階段的攻關，對俄羅斯的焊接技術已基本把握；在承力框上正以先進的EBW取代質量較差的潛弧焊工藝，由于免除反復機加工－焊接－熱處理的過程，將明顯地進步生產效率和降低本錢。在該型機的機載設備建線階段，除常規焊接方法外，還有電子束釬焊、擴散焊、激光焊、真空釬焊、等離子弧焊及凸焊等工藝。
國內發動機行業通過多個型號的實踐，焊接技術已取得較大的進步，很多新工藝如EBW、IFW、VB、自動氬弧焊、軌跡氬弧焊和弧焊機器人、SPF/DB、PAW及低應力無變形焊接技術等均得到了應用。但是國產材料成分及其狀態的控制以及焊接工藝及其流程尚待完善，仍需積累經驗和數據，為設計及制造的改進提供依據。
2 機械連接技術（略）
3 粘接結構件制造技術（略）
幾種典型航空零件及焊接技術的應用情況
1 大型寬弦風扇葉片
大型寬弦風扇葉片是先進航空發動機典型部件之一，其發展過程與連接技術密不可分。
第一代寬弦無凸臺的風扇葉片為RR公司20世紀80年代研制成功的面板/蜂窩夾芯組成的，用到鈦合金釬焊技術。
第二代寬弦無凸臺風扇葉片為三層鈦合金超 塑成形/擴散連接(SPF/DB)葉片。
第三代寬弦無凸臺風扇葉片也是鈦合金超塑成形/擴散連接(SPF/DB)。另外，第三代還有金屬基復合材料(TiMCs)風扇葉片。
目前，我國已能生產四層鈦合金超塑成型/擴散連接（SPF/DB）風扇導流葉片，并具備了研制大型寬弦風扇葉片的基礎和能力。
2 整體葉盤結構
整體葉盤（Blisk）將葉片與輪盤制造（或焊接）成一體。無需加工榫頭、榫槽，盤的輪緣徑向高度及厚度和葉片原榫頭部位尺寸可大大減少，減重效果明顯（可減重50%，葉環結構Bling減重達100%）；消除了榫齒根部縫隙中的逸流損失；避免了葉片和輪盤裝配不當造成的微動磨損、裂紋以及鎖片損壞帶來的故障；零件數大大減少，有利于裝配和平衡。可以說整體葉盤是第四代噴氣發動機的典型新結構之一。整體葉環是第五代噴氣發動機的典型新結構之一。
整體葉盤的坯料可以是整體的，通過數控銑削或利用電解加工的方法加工整體葉盤；也可以是分體式焊接結構。小的發動機中還有精鑄的整體葉盤。
分體式焊接結構的優點是：葉片和盤可以是異種或不同狀態的材料，也可以采用不同質量的材料，如F119的一級風扇葉片是就是空心的，JSF備選發動機F120的第一級風扇葉片為SOF/DB夾層結構；可以減輕對毛料制備工藝和設備的壓力，并有得于節約原材料和加工工時，進步質量。
分體式焊接葉盤結構可以采用多種焊接方法，如電子束焊（可采用其他熔焊）、擴散焊及線性磨擦焊。前兩者對Ti合金較適宜，鈦合金電子束焊及擴散焊的工藝性較好。若采用形變高溫合金，尤其是粉末高溫合金的盤，LFW將是最佳選擇。
線性磨擦焊（LFW），美國也稱Transitional Friction Welding(TFW)，作為整體葉盤單個葉片的修理工藝于20世紀80年代中期開發的，與 EBW、DB等焊接方法相比，LFW效率高，質量好，焊縫區組織極細，焊接接頭的靜、動載力學性能達到甚至超過母材的水平。除能焊接鈦合金、一般形變高溫合金外，可以焊接粉末冶金的高溫合金，所以目前已用作整體葉盤的生產工藝。
葉盤結構目前主要用于風扇和壓氣機部分。根據美國IHPTET劃，到2020年戰斗機用發動機的渦輪也將采用整體葉盤結構（LFW、HIP—DB）。90年代末，帶超級冷卻葉片的高壓渦輪整體葉盤已進行了核心機的試驗。
我國對上述整體葉盤的生產工藝也開展了相應的研究。
3 鼓筒式整體轉子
EBW和IFW的盤鼓結構是三代機的典型結構。其優點是：減少了大量的盤與盤之間的連接螺栓，使發動機的零件數和重量大大減少；減少或消除了應力集中的螺栓孔；整體轉子剛性好，可得到較高的平衡精度，減小振動，有利于保持較小的葉尖。
4 大型寬弦風扇葉片
鈦合金由于其優良的綜合性能在航空領域應用的越來越多，鈦合金的焊接/連接技術也已成為產業部分的研究熱門。先進飛機的中后機身一般采用鈦合金框。其制造工藝路線有三種：
1）整體鑄造經數控加工制成。
2）小型鍛件經焊接成整體結構，然后經數控加工制造。
3）經鑄件+熱等靜壓+焊接連接+數控加工
F-22后機身鈦合金整體框，采用大型模鍛件，投影面積為5.53m2。由于我國的精密鑄造技術與先進國家比還較落后，航空產品大型結構件上還沒有采用大型模鍛件。目前均采用整體大鍛件毛坯（最大投影面積約0.6m2）經機械加工成形，然后分段焊接而成。
5 飛機起落架的焊接
歐美國家起落架選用300M和35NCD16低合金超高強度鋼整體鍛件結構加工工藝，零件外形加工后進行真空熱處理或可控氣氛熱處理。材料利用率只有12.5%-25.0%。
俄羅斯起落架選用30CrMnSiNi2A（真空冶煉）低合金超高強度鋼鍛件焊接結構加工工藝，主要受力構件采用高壓真空電子束焊焊接，焊后進行熱處理（空氣爐加熱+鹽浴爐淬火）。
目前，新型的高強度、高韌性和高腐蝕抗力的改進型鎳-鈷低碳合金鋼已開始在艦載飛機起落架上應用，最典型的材料是AerMet100和AF100，此類材料除具有優異的綜協力學性能外，還具有優良的疲憊性能和焊接性能，可替換現在使用的起落架結構材料300M和4340鋼等。國內起落架受力構件材料主要采用300M和30CrMnSiNi2A超高強度鋼，有的采用整體加工，有的采用焊接結構。大型構件的深孔加工和熱處理變形控制以及超高強度鋼的高效數控切削加工是國內起落架加工存在的主要題目。另外AerMet100鋼尚未應用。
發展思路
通過國內外情況對比分析，可看出連接技術的主要發展趨勢是：
1）新型或特種材料及異種材料構件的連接。
2）復雜產品、構件和器件精密連接。
3）焊接過程的自動化與智能控制。
4）太空等特殊環境工作條件下的焊接。
5）復雜焊接產品質量的可靠檢測與壽命評估。
6）傳統連接工藝的改進及新型焊接工藝方法的開發。
7）綠色連接技術和再利用修復技術。
1 焊接技術
從國內外飛機、發動機已采用的擬采用的焊接結構及焊接技術發展概況看，今后我國航空焊接技術應注重如下幾方面：
1）加速新焊接方法的應用研究。盡快把握激光雙光束填絲焊、攪拌摩擦焊、線性摩擦焊、活性劑-氣保護弧焊等新工藝，完善性能數據，把握最佳焊接工藝及其流程。
2）進一步擴大電子束焊接技術的應用，解決塑性較差的高強鈦合金、超高強鋼以及大厚度材料框和盒形梁等結構的焊接工藝。
3）氣保護焊、等離子弧焊要向數字化技術靠攏，進步自適應能力（弧長調節、焊縫跟蹤及軌跡控制、焊槍方位及熔透控制等），完善各類低應力無變形焊接技術，使之穩定地應用于生產。
4）配合材料研究部分，把握4121、1460、2195鋁鋰合金，6013、6056鋁鎂硅合金，Ti55、Ti60高溫鈦合金，SP-700、Ti153、B21S、Ti17高強高韌鈦合金，以及BKC-210/240、Aermet100/310等超高強鋼的焊接技術。
5）把握ODS材料、粉末高溫合金及金屬間化合物的擴散連接工藝，關注各類蜂窩結構（如全點焊高溫合金蜂窩壁板、LID-DB鈦合金蜂窩壁板）制造技術及其應用。
6）探索熱塑性樹脂基復合材料。金屬基復合材料、工程陶瓷及陶瓷基復合材料以及C/C復合材料連接技術。
7）建立焊接工藝數據庫（含資源治理、工藝文件），實現各種厚度結構件焊接過程中焊縫收縮及應力應變的仿真技術，進一步加強焊接結構完整性及可靠性評定技術研究。
8）建立并精益求精完善飛機及發動機件的焊接數字化生產線。
2 機械連接技術（略）
3 粘接技術（略）
結束語
隨著飛機、發動機對減重、進步性能的需要，先進及特種焊接技術、先進粘接技術、高質量機械連接技術等先進連接技術起著越來越重要作用。相信中國航空焊接/連接技術在需求牽引，技術推動的相互作用下，一定會取得快速進步。(end)
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