中國航空焊接/連接技術(shù)的發(fā)展與未來
- 2016-07-12 11:48:00
- sawchina 原創(chuàng)
- 9203
摘要：連接技術(shù)包括焊接技術(shù)、機(jī)械連接技術(shù)和粘接技術(shù)。本文分析航空焊接/連接技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了典型航空零部件焊接技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，闡述了中國航空焊接/連接技術(shù)的發(fā)展思路。隨著飛機(jī)、發(fā)動機(jī)對減重、提高性能的需要，先進(jìn)連接技術(shù)將起著越來越重要的作用。新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的有機(jī)結(jié)合，使得焊接技術(shù)將成為航空制造領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)之一，今后的發(fā)展應(yīng)是新的焊接方法擴(kuò)大應(yīng)用，傳統(tǒng)焊接技術(shù)升級換代，建立和完善焊接數(shù)據(jù)庫，推進(jìn)焊接數(shù)字化；機(jī)械連接是航空飛機(jī)、發(fā)動機(jī)不可缺少的技術(shù)，機(jī)械連接技術(shù)將向高效、高質(zhì)量、高壽命、高可靠性方向發(fā)展；金屬粘接蜂窩結(jié)構(gòu)及纖維增強(qiáng)鋁合金粘接層板技術(shù)是一項(xiàng)高性能低成本制造技術(shù)，精密高效、綠色環(huán)保是先進(jìn)粘接技術(shù)的發(fā)展方向和追求的目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：航空 焊接 機(jī)械連接 粘接
前言
連接技術(shù)包括焊接技術(shù)、機(jī)械連接技術(shù)和粘接技術(shù)，它是制造技術(shù)的重要組成部分，也是航空飛機(jī)、發(fā)動機(jī)制造中不可缺少的技術(shù)。
先進(jìn)連接技術(shù)的發(fā)展總是不斷地從新科技的成果中獲得新的起點(diǎn)。20世紀(jì)初電弧應(yīng)用于焊接產(chǎn)生了電弧焊，在造船、汽車、橋梁、航空航天等工業(yè)，創(chuàng)造出了許多大型焊接結(jié)構(gòu)，使焊接成為一種重要的連接技術(shù)。20世紀(jì)中期，電子束、等離子弧、激光束相繼問世， 高能束連接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其應(yīng)用如航空發(fā)動機(jī)的電子束焊接，立即創(chuàng)造出了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
新型材料的出現(xiàn)對連接技術(shù)提出了新的課題，成為其發(fā)展的重要推動力。 許多新材料，如耐熱合金、鈦合金、陶瓷、金屬基/陶瓷基/樹脂基/碳－碳復(fù)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(kuò)散焊、摩擦焊、超塑成形擴(kuò)散連接、液相擴(kuò)散焊、活性釬焊、高性能粘接與機(jī)械連接等方法應(yīng)運(yùn)而生，解決了許多過去無法解決的材料連接問題。
新產(chǎn)品、新構(gòu)件和新器件對連接技術(shù)提出了新的要求，促進(jìn)傳統(tǒng)連接技術(shù)的不斷改進(jìn)與連接技術(shù)的創(chuàng)新，以適應(yīng)發(fā)展的要求，如微連接技術(shù)、精密釬焊技術(shù)、加活性焊劑的氬弧焊及電弧－激光等復(fù)合能源高效焊技術(shù)等。
焊接制造工藝由于其工藝的復(fù)雜性，以及對勞動強(qiáng)度、產(chǎn)品質(zhì)量、批量等要求，使得焊接工藝對于機(jī)械化、自動化、智能化的要求極為迫切。目前電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為焊接過程的自動化與智能化提供了十分有利的技術(shù)基礎(chǔ)，并已滲透到焊接各領(lǐng)域中，近20年來，在自動焊接技術(shù)方面已取得許多研究與應(yīng)用成果。
1 國內(nèi)外先進(jìn)連接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 先進(jìn)/特種焊接技術(shù)
在航空飛機(jī)、發(fā)動機(jī)的研制和生產(chǎn)中，焊接技術(shù)已經(jīng)成為主導(dǎo)工藝方法之一。它的進(jìn)步與發(fā)展不僅能減輕飛機(jī)、發(fā)動機(jī)的重量，而且還為航空飛機(jī)、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新構(gòu)思提供技術(shù)支持，促進(jìn)航空飛機(jī)、發(fā)動機(jī)性能的提高。表1為航空工業(yè)領(lǐng)域常用焊接方法分類。
1.1.1 國外情況
航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)中廣泛采用了各種焊接技術(shù)。焊接結(jié)構(gòu)件在噴氣發(fā)動機(jī)零部件總數(shù)中所占比例已超過50%，焊接的工作量已占發(fā)動機(jī)制造總工時的10%左右。 在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)111的機(jī)翼支承梁（鋼結(jié)構(gòu)）和狂風(fēng)、F14的鈦合金中央翼翼盒、機(jī)翼盒形梁及整體壁板結(jié)構(gòu)等重要的結(jié)構(gòu)上采用了焊接技術(shù)。F22后機(jī)身前后梁采用了熱等靜壓鈦合金鑄件的電子束焊接結(jié)構(gòu)，原蘇聯(lián)20世紀(jì)60年代研制的米烙25機(jī)體結(jié)構(gòu)的80%（結(jié)構(gòu)重量）是焊接的，焊縫長達(dá)4000多m，焊點(diǎn)達(dá)到140萬個。蘇27飛機(jī)，大量采用了鈦合金材料和焊接技術(shù)（60多項(xiàng)發(fā)明創(chuàng)新），是其保證飛機(jī)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(jī)身整體油箱和米格33的機(jī)頭（含座艙）。該油箱與原蘇聯(lián)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(shè)計(jì)，可減重15%～16%）；另12%是因?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)省掉金屬重疊部分、鉚釘、螺栓和密封膠。該油箱可在機(jī)場條件下修理，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)補(bǔ)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(xué)時曾說過：“用發(fā)展的眼光看，其前景將出現(xiàn)全焊接結(jié)構(gòu)的飛機(jī)，不僅可省掉重達(dá)幾噸的密封件，更重要的是焊接過程比鉚接過程更易于實(shí)現(xiàn)自動化?！北?列出第三代、第四代、第五代飛機(jī)和發(fā)動機(jī)所采用的典型焊接結(jié)及其焊接方法。
1.1.2 國內(nèi)情況
20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)設(shè)計(jì)的飛機(jī)上采用焊接結(jié)構(gòu)越來越少，飛機(jī)廠除增添了幾臺氬弧焊機(jī)（含脈沖氬弧焊）、三相低頻或二次整流點(diǎn)縫焊機(jī)和個別真空充氬弧焊設(shè)備外，三四十年一切如故，車間及設(shè)計(jì)陳舊不堪，技術(shù)水平下降。MD-82飛機(jī)的生產(chǎn)除導(dǎo)管感應(yīng)釬焊和薄板TIG焊、點(diǎn)縫焊外，其余變化不大。
引進(jìn)蘇27的生產(chǎn)權(quán)使國內(nèi)航空界受到極大的震動。其機(jī)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(jī)機(jī)體。表3為蘇-27飛機(jī)的主要焊接結(jié)構(gòu)說明。重要的承力構(gòu)件較多地采用了焊接構(gòu)件， 如高強(qiáng)結(jié)構(gòu)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(jìn)氣道防護(hù)隔柵采用穿透焊，后機(jī)身的鈦合金蒙皮壁板采用TIG焊和點(diǎn)、縫焊，鋁合金、不銹鋼、鈦合金導(dǎo)管采用TIG焊、感應(yīng)釬焊（含現(xiàn)場安裝感應(yīng)釬焊）。通過建線及材料國產(chǎn)化階段的攻關(guān)，對俄羅斯的焊接技術(shù)已基本掌握；在承力框上正以先進(jìn)的EBW取代質(zhì)量較差的潛弧焊工藝，由于免除反復(fù)機(jī)加工－焊接－熱處理的過程，將明顯地提高生產(chǎn)效率和降低成本。在該型機(jī)的機(jī)載設(shè)備建線階段，除常規(guī)焊接方法外，還有電子束釬焊、擴(kuò)散焊、激光焊、真空釬焊、等離子弧焊及凸焊等工藝。
國內(nèi)發(fā)動機(jī)行業(yè)通過多個型號的實(shí)踐，焊接技術(shù)已取得較大的進(jìn)步，許多新工藝如EBW、IFW、VB、自動氬弧焊、軌跡氬弧焊和弧焊機(jī)器人、SPF/DB、PAW及低應(yīng)力無變形焊接技術(shù)等均得到了應(yīng)用。但是國產(chǎn)材料成分及其狀態(tài)的控制以及焊接工藝及其流程尚待完善，仍需積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)及制造的改進(jìn)提供依據(jù)。表4是某型航空發(fā)動機(jī)典型電子束焊接件匯總。
1.2 機(jī)械連接技術(shù)（略）
1.3 粘接結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)（略）
2 幾種典型航空零件及焊接技術(shù)的應(yīng)用情況
2.1 大型寬弦風(fēng)扇葉片
大型寬弦風(fēng)扇葉片是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)典型部件之一，其發(fā)展過程與連接技術(shù)密不可分。
第一代寬弦無凸臺的風(fēng)扇葉片為RR公司20世紀(jì)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(shù)。
第二代寬弦無凸臺風(fēng)扇葉片為三層鈦合金超 塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)葉片。
第三代寬弦無凸臺風(fēng)扇葉片也是鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)。另外，第三代還有金屬基復(fù)合材料(TiMCs)風(fēng)扇葉片。
三種空心風(fēng)扇葉片的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特點(diǎn)見表5。
目前，我國已能生產(chǎn)四層鈦合金超塑成型/擴(kuò)散連接（SPF/DB）風(fēng)扇導(dǎo)流葉片，并具備了研制大型寬弦風(fēng)扇葉片的基礎(chǔ)和能力。
2.2 整體葉盤結(jié)構(gòu)
整體葉盤（Blisk）將葉片與輪盤制造（或焊接）成一體，見圖2。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，減重效果顯著（可減重50%，葉環(huán)結(jié)構(gòu)Bling減重達(dá)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(dāng)造成的微動磨損、裂紋以及鎖片損壞帶來的故障；零件數(shù)大大減少，有利于裝配和平衡?？梢哉f整體葉盤是第四代噴氣發(fā)動機(jī)的典型新結(jié)構(gòu)之一。整體葉環(huán)是第五代噴氣發(fā)動機(jī)的典型新結(jié)構(gòu)之一。
整體葉盤的坯料可以是整體的，通過數(shù)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(jié)構(gòu)（見表6）。小的發(fā)動機(jī)中還有精鑄的整體葉盤。
分體式焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：葉片和盤可以是異種或不同狀態(tài)的材料，也可以采用不同質(zhì)量的材料，如F119的一級風(fēng)扇葉片是就是空心的，JSF備選發(fā)動機(jī)F120的第一級風(fēng)扇葉片為SOF/DB夾層結(jié)構(gòu)；可以減輕對毛料制備工藝和設(shè)備的壓力，并有得于節(jié)約原材料和加工工時，提高質(zhì)量。
分體式焊接葉盤結(jié)構(gòu)可以采用多種焊接方法，如電子束焊（可采用其他熔焊）、擴(kuò)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(kuò)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(jì)80年代中期開發(fā)的，與 EBW、DB等焊接方法相比，LFW效率高，質(zhì)量好，焊縫區(qū)組織極細(xì)，焊接接頭的靜、動載力學(xué)性能達(dá)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(chǎn)工藝。
葉盤結(jié)構(gòu)目前主要用于風(fēng)扇和壓氣機(jī)部分。根據(jù)美國IHPTET劃，到2020年戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動機(jī)的渦輪也將采用整體葉盤結(jié)構(gòu)（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(jìn)行了核心機(jī)的試驗(yàn)。
我國對上述整體葉盤的生產(chǎn)工藝也開展了相應(yīng)的研究。
2.3 鼓筒式整體轉(zhuǎn)子
EBW和IFW的盤鼓結(jié)構(gòu)是三代機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是：減少了大量的盤與盤之間的連接螺栓，使發(fā)動機(jī)的零件數(shù)和重量大大減少；減少或消除了應(yīng)力集中的螺栓孔；整體轉(zhuǎn)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。世界各主要發(fā)動機(jī)采用焊接整體轉(zhuǎn)子的實(shí)例焊接在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子部件上的應(yīng)用見表7。圖3所示為我國已采用電子束焊方法制造的航空發(fā)動機(jī)零件。
2.4 大型寬弦風(fēng)扇葉片
鈦合金由于其優(yōu)良的綜合性能在航空領(lǐng)域應(yīng)用的越來越多，鈦合金的焊接/連接技術(shù)也已成為工業(yè)部門的研究熱點(diǎn)。先進(jìn)飛機(jī)的中后機(jī)身一般采用鈦合金框。其制造工藝路線有三種：
1）整體鍛造經(jīng)數(shù)控加工制成。
2）小型鍛件經(jīng)焊接成整體結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)數(shù)控加工制造。
3）經(jīng)鑄件+熱等靜壓+焊接連接+數(shù)控加工
F-22后機(jī)身鈦合金整體框，采用大型模鍛件，投影面積為5.53m2。由于我國的精密鍛造技術(shù)與先進(jìn)國家比還較落后，航空產(chǎn)品大型結(jié)構(gòu)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(jīng)機(jī)械加工成形，然后分段焊接而成。如圖4所示是潛弧焊焊接的飛機(jī)鈦合金框，圖5是電子束焊接的飛機(jī)鈦合金框。
2.5 飛機(jī)起落架的焊接
歐美國家起落架選用300M和35NCD16低合金超高強(qiáng)度鋼整體鍛件結(jié)構(gòu)加工工藝，零件外形加工后進(jìn)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(qiáng)度鋼鍛件焊接結(jié)構(gòu)加工工藝，主要受力構(gòu)件采用高壓真空電子束焊焊接，焊后進(jìn)行熱處理（空氣爐加熱+鹽浴爐淬火）。
目前，新型的高強(qiáng)度、高韌性和高腐蝕抗力的改進(jìn)型鎳-鈷低碳合金鋼已開始在艦載飛機(jī)起落架上應(yīng)用，最典型的材料是AerMet100和AF100，此類材料除具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能外，還具有優(yōu)良的疲勞性能和焊接性能，可替代現(xiàn)在使用的起落架結(jié)構(gòu)材料300M和4340鋼等。國內(nèi)起落架受力構(gòu)件材料主要采用300M和30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼，有的采用整體加工，有的采用焊接結(jié)構(gòu)。大型構(gòu)件的深孔加工和熱處理變形控制以及超高強(qiáng)度鋼的高效數(shù)控切削加工是國內(nèi)起落架加工存在的主要問題。另外AerMet100鋼尚未應(yīng)用。圖6所示為我國某飛機(jī)主起落架。
3 發(fā)展思路
通過國內(nèi)外情況對比分析，可看出連接技術(shù)的主要發(fā)展趨勢是：
1）新型或特種材料及異種材料構(gòu)件的連接。
2）復(fù)雜產(chǎn)品、構(gòu)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(huán)境工作條件下的焊接。
5）復(fù)雜焊接產(chǎn)品質(zhì)量的可靠檢測與壽命評估。
6）傳統(tǒng)連接工藝的改進(jìn)及新型焊接工藝方法的開發(fā)。
7）綠色連接技術(shù)和再利用修復(fù)技術(shù)。
3.1 焊接技術(shù)
從國內(nèi)外飛機(jī)、發(fā)動機(jī)已采用的擬采用的焊接結(jié)構(gòu)及焊接技術(shù)發(fā)展概況看，今后我國航空焊接技術(shù)應(yīng)注重如下幾方面：
1）加速新焊接方法的應(yīng)用研究。盡快掌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(hù)弧焊等新工藝，完善性能數(shù)據(jù)，掌握最佳焊接工藝及其流程。
2）進(jìn)一步擴(kuò)大電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用，解決塑性較差的高強(qiáng)鈦合金、超高強(qiáng)鋼以及大厚度材料框和盒形梁等結(jié)構(gòu)的焊接工藝。
3）氣保護(hù)焊、等離子弧焊要向數(shù)字化技術(shù)靠攏，提高自適應(yīng)能力（弧長調(diào)節(jié)、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(yīng)力無變形焊接技術(shù)，使之穩(wěn)定地應(yīng)用于生產(chǎn)。
4）配合材料研究部門，掌握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(qiáng)高韌鈦合金，以及BKC-210/240、Aermet100/310等超高強(qiáng)鋼的焊接技術(shù)。
5）掌握ODS材料、粉末高溫合金及金屬間化合物的擴(kuò)散連接工藝，關(guān)注各類蜂窩結(jié)構(gòu)（如全點(diǎn)焊高溫合金蜂窩壁板、LID-DB鈦合金蜂窩壁板）制造技術(shù)及其應(yīng)用。
6）探索熱塑性樹脂基復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料、工程陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料以及C/C復(fù)合材料連接技術(shù)。
7）建立焊接工藝數(shù)據(jù)庫（含資源管理、工藝文件），實(shí)現(xiàn)各種厚度結(jié)構(gòu)件焊接過程中焊縫收縮及應(yīng)力應(yīng)變的仿真技術(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)焊接結(jié)構(gòu)完整性及可靠性評定技術(shù)研究。
8）建立并不斷改進(jìn)完善飛機(jī)及發(fā)動機(jī)件的焊接數(shù)字化生產(chǎn)線。
3.2 機(jī)械連接技術(shù)（略）
3.3粘接技術(shù)（略）
4 結(jié)束語
隨著飛機(jī)、發(fā)動機(jī)對減重、提高性能的需要，先進(jìn)及特種焊接技術(shù)、先進(jìn)粘接技術(shù)、高質(zhì)量機(jī)械連接技術(shù)等先進(jìn)連接技術(shù)起著越來越重要作用。相信中國航空焊接/連接技術(shù)在需求牽引，技術(shù)推動的相互作用下，一定會取得快速進(jìn)步。
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