中國航空焊接/連接技術的發(fā)展與未來
- 2016-07-12 11:48:00
- sawchina 原創(chuàng)
- 8047
摘要：連接技術包括焊接技術、機械連接技術和粘接技術。本文分析航空焊接/連接技術的國內外發(fā)展現狀，介紹了典型航空零部件焊接技術的應用實例，闡述了中國航空焊接/連接技術的發(fā)展思路。隨著飛機、發(fā)動機對減重、提高性能的需要，先進連接技術將起著越來越重要的作用。新材料、新結構、新工藝的有機結合，使得焊接技術將成為航空制造領域的主導技術之一，今后的發(fā)展應是新的焊接方法擴大應用，傳統(tǒng)焊接技術升級換代，建立和完善焊接數據庫，推進焊接數字化；機械連接是航空飛機、發(fā)動機不可缺少的技術，機械連接技術將向高效、高質量、高壽命、高可靠性方向發(fā)展；金屬粘接蜂窩結構及纖維增強鋁合金粘接層板技術是一項高性能低成本制造技術，精密高效、綠色環(huán)保是先進粘接技術的發(fā)展方向和追求的目標。
關鍵詞：航空 焊接 機械連接 粘接
前言
連接技術包括焊接技術、機械連接技術和粘接技術，它是制造技術的重要組成部分，也是航空飛機、發(fā)動機制造中不可缺少的技術。
先進連接技術的發(fā)展總是不斷地從新科技的成果中獲得新的起點。20世紀初電弧應用于焊接產生了電弧焊，在造船、汽車、橋梁、航空航天等工業(yè)，創(chuàng)造出了許多大型焊接結構，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(fā)動機的電子束焊接，立即創(chuàng)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(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，解決了許多過去無法解決的材料連接問題。
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(tǒng)連接技術的不斷改進與連接技術的創(chuàng)新，以適應發(fā)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?。す獾葟秃夏茉锤咝Ш讣夹g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(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許多研究與應用成果。
1 國內外先進連接技術發(fā)展現狀
1.1 先進/特種焊接技術
在航空飛機、發(fā)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(fā)展不僅能減輕飛機、發(fā)動機的重量，而且還為航空飛機、發(fā)動機結構設計新構思提供技術支持，促進航空飛機、發(fā)動機性能的提高。表1為航空工業(yè)領域常用焊接方法分類。
1.1.1 國外情況
航空發(fā)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(fā)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(fā)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的鈦合金中央翼翼盒、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(fā)明創(chuàng)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%是因為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，因為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(fā)展的眼光看，其前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?！北?列出第三代、第四代、第五代飛機和發(fā)動機所采用的典型焊接結及其焊接方法。
1.1.2 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。表3為蘇-27飛機的主要焊接結構說明。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掌握；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，將明顯地提高生產效率和降低成本。在該型機的機載設備建線階段，除常規(guī)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(fā)動機行業(yè)通過多個型號的實踐，焊接技術已取得較大的進步，許多新工藝如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(tài)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。表4是某型航空發(fā)動機典型電子束焊接件匯總。
1.2 機械連接技術（略）
1.3 粘接結構件制造技術（略）
2 幾種典型航空零件及焊接技術的應用情況
2.1 大型寬弦風扇葉片
大型寬弦風扇葉片是先進航空發(fā)動機典型部件之一，其發(fā)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。
三種空心風扇葉片的結構如圖1所示，其特點見表5。
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。
2.2 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，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?？梢哉f整體葉盤是第四代噴氣發(fā)動機的典型新結構之一。整體葉環(huán)是第五代噴氣發(fā)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（見表6）。小的發(fā)動機中還有精鑄的整體葉盤。
分體式焊接結構的優(yōu)點是：葉片和盤可以是異種或不同狀態(tài)的材料，也可以采用不同質量的材料，如F119的一級風扇葉片是就是空心的，JSF備選發(fā)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(jié)約原材料和加工工時，提高質量。
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(fā)的，與 EBW、DB等焊接方法相比，LFW效率高，質量好，焊縫區(qū)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(zhàn)斗機用發(fā)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。
2.3 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(yōu)點是：減少了大量的盤與盤之間的連接螺栓，使發(fā)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。世界各主要發(fā)動機采用焊接整體轉子的實例焊接在發(fā)動機轉子部件上的應用見表7。圖3所示為我國已采用電子束焊方法制造的航空發(fā)動機零件。
2.4 大型寬弦風扇葉片
鈦合金由于其優(yōu)良的綜合性能在航空領域應用的越來越多，鈦合金的焊接/連接技術也已成為工業(yè)部門的研究熱點。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）整體鍛造經數控加工制成。
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。由于我國的精密鍛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。如圖4所示是潛弧焊焊接的飛機鈦合金框，圖5是電子束焊接的飛機鈦合金框。
2.5 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(yōu)異的綜合力學性能外，還具有優(yōu)良的疲勞性能和焊接性能，可替代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問題。另外AerMet100鋼尚未應用。圖6所示為我國某飛機主起落架。
3 發(fā)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(fā)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(huán)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(tǒng)連接工藝的改進及新型焊接工藝方法的開發(fā)。
7）綠色連接技術和再利用修復技術。
3.1 焊接技術
從國內外飛機、發(fā)動機已采用的擬采用的焊接結構及焊接技術發(fā)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-氣保護弧焊等新工藝，完善性能數據，掌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，提高自適應能力（弧長調節(jié)、焊縫跟蹤及軌跡控制、焊槍方位及熔透控制等），完善各類低應力無變形焊接技術，使之穩(wěn)定地應用于生產。
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高強高韌鈦合金，以及BKC-210/240、Aermet100/310等超高強鋼的焊接技術。
5）掌握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（含資源管理、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）建立并不斷改進完善飛機及發(fā)動機件的焊接數字化生產線。
3.2 機械連接技術（略）
3.3粘接技術（略）
4 結束語
隨著飛機、發(fā)動機對減重、提高性能的需要，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。
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