中国航空焊接/连接技术的发展与未来

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    前言  
    连接技术包括焊接技术、机械连接技术和粘接技术，它是制造技术的重要组成部分，也是航空飞机、发动机制造中不可缺少的技术。  
    先进连接技术的发展总是不断地从新科技的成果中获得新的起点。20世纪初电弧应用于焊接产生了电弧焊，在造船、汽车、桥梁、航空航天等工业，创造出了许多大型焊接结构，使焊接成为一种重要的连接技术。20世纪中期，电子束、等离子弧、激光束相继问世， 高能束连接技术应运而生，其应用如航空发动机的电子束焊接，立即创造出了明显的经济和社会效益。  
    新型材料的出现对连接技术提出了新的课题，成为其发展的重要推动力。许多新材料，如耐热合金、钛合金、陶瓷、金属基/陶瓷基/树脂基/碳－碳复合材料等的连接，特别是异种材料之间的连接，采用通常的焊接方法无法完成，扩散焊、摩擦焊、超塑成形扩散连接、液相扩散焊、活性钎焊、高性能粘接与机械连接等方法应运而生，解决了许多过去无法解决的材料连接问题。  
    新产品、新构件和新器件对连接技术提出了新的要求，促进传统连接技术的不断改进与连接技术的创新，以适应发展的要求，如微连接技术、精密钎焊技术、加活性焊剂的氩弧焊及电弧－激光等复合能源高效焊技术等。  
    焊接制造工艺由于其工艺的复杂性，以及对劳动强度、产品质量、批量等要求，使得焊接工艺对于机械化、自动化、智能化的要求极为迫切。目前电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接过程的自动化与智能化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中，近20年来，在自动焊接技术方面已取得许多研究与应用成果。  
    1 国内外先进连接技术发展现状  
    1.1 先进/特种焊接技术  
    在航空飞机、发动机的研制和生产中，焊接技术已经成为主导工艺方法之一。它的进步与发展不仅能减轻飞机、发动机的重量，而且还为航空飞机、发动机结构设计新构思提供技术支持，促进航空飞机、发动机性能的提高。
    1.1.1 国外情况  
    航空发动机结构中广泛采用了各种焊接技术。焊接结构件在喷气发动机零部件总数中所占比例已超过50%，焊接的工作量已占发动机制造总工时的10%左右。在飞机结构中，F111的机翼支承梁（钢结构）和狂风、F14的钛合金中央翼翼盒、机翼盒形梁及整体壁板结构等重要的结构上采用了焊接技术。F22后机身前后梁采用了热等静压钛合金铸件的电子束焊接结构，原苏联20世纪60年代研制的米格25机体结构的80%（结构重量）是焊接的，焊缝长达4000多m，焊点达到140万个。苏27飞机，大量采用了钛合金材料和焊接技术（60多项发明创新），是其保证飞机性能和减重的决定性因素。用氩弧焊、电子束焊制造了米格29的机身整体油箱和米格33的机头（含座舱）。该油箱与原苏联D16铝合金铆接油箱相比，减重24%。其中，由于1420铝锂合金的密度小，减重12%（若重新设计，可减重15%～16%）；另12%是因为焊接结构省掉金属重叠部分、铆钉、螺栓和密封胶。该油箱可在机场条件下修理，因为该结构补焊后无需热处理工序。俄罗斯皮列亚宁院士1990年在我国讲学时曾说过：“用发展的眼光看，其前景将出现全焊接结构的飞机，不仅可省掉重达几吨的密封件，更重要的是焊接过程比铆接过程更易于实现自动化。”第三代、第四代、第五代飞机和发动机所采用的典型焊接结及其焊接方法。  
    1.1.2 国内情况  
    20世纪60年代以来，国内设计的飞机上采用焊接结构越来越少，飞机厂除增添了几台氩弧焊机（含脉冲氩弧焊）、三相低频或二次整流点缝焊机和个别真空充氩弧焊设备外，三四十年一切如故，车间及设计陈旧不堪，技术水平下降。MD-82飞机的生产除导管感应钎焊和薄板TIG焊、点缝焊外，其余变化不大。  
    引进苏27的生产权使国内航空界受到极大的震动。其机体的焊接组件部件近千件，涉及的零件近万件，几乎遍及整个飞机机体。表3为苏-27飞机的主要焊接结构说明。重要的承力构件较多地采用了焊接构件， 如高强结构钢起落架的电子束焊，钛合金隔框和梁的潜弧焊，2号油箱钛合金下壁板和进气道防护隔栅采用穿透焊，后机身的钛合金蒙皮壁板采用TIG焊和点、缝焊，铝合金、不锈钢、钛合金导管采用TIG焊、感应钎焊（含现场安装感应钎焊）。通过建线及材料国产化阶段的攻关，对俄罗斯的焊接技术已基本掌握；在承力框上正以先进的EBW取代质量较差的潜弧焊工艺，由于免除反复机加工－焊接－热处理的过程，将明显地提高生产效率和降低成本。在该型机的机载设备建线阶段，除常规焊接方法外，还有电子束钎焊、扩散焊、激光焊、真空钎焊、等离子弧焊及凸焊等工艺。  
    国内发动机行业通过多个型号的实践，焊接技术已取得较大的进步，许多新工艺如EBW、IFW、VB、自动氩弧焊、轨迹氩弧焊和弧焊机器人、SPF/DB、PAW及低应力无变形焊接技术等均得到了应用。但是国产材料成分及其状态的控制以及焊接工艺及其流程尚待完善，仍需积累经验和数据，为设计及制造的改进提供依据。
    2 几种典型航空零件及焊接技术的应用情况  
    2.1 大型宽弦风扇叶片  
    大型宽弦风扇叶片是先进航空发动机典型部件之一，其发展过程与连接技术密不可分。  
    第一代宽弦无凸台的风扇叶片为RR公司20世纪80年代研制成功的面板/蜂窝夹芯组成的，用到钛合金钎焊技术。  
    第二代宽弦无凸台风扇叶片为三层钛合金超塑成形/扩散连接(SPF/DB)叶片。  
    第三代宽弦无凸台风扇叶片也是钛合金超塑成形/扩散连接(SPF/DB)。另外，第三代还有金属基复合材料(TiMCs)风扇叶片。  
    三种空心风扇叶片的结构。  
    目前，我国已能生产四层钛合金超塑成型/扩散连接（SPF/DB）风扇导流叶片，并具备了研制大型宽弦风扇叶片的基础和能力。  
    2.2 整体叶盘结构  
    整体叶盘（Blisk）将叶片与轮盘制造（或焊接）成一体，无需加工榫头、榫槽，盘的轮缘径向高度及厚度和叶片原榫头部位尺寸可大大减少，减重效果显著（可减重50%，叶环结构Bling减重达100%）；消除了榫齿根部缝隙中的逸流损失；避免了叶片和轮盘装配不当造成的微动磨损、裂纹以及锁片损坏带来的故障；零件数大大减少，有利于装配和平衡。可以说整体叶盘是第四代喷气发动机的典型新结构之一。整体叶环是第五代喷气发动机的典型新结构之一。  
    整体叶盘的坯料可以是整体的，通过数控铣削或利用电解加工的方法加工整体叶盘；也可以是分体式焊接结构。小的发动机中还有精铸的整体叶盘。  
    分体式焊接结构的优点是：叶片和盘可以是异种或不同状态的材料，也可以采用不同质量的材料，如F119的一级风扇叶片是就是空心的，JSF备选发动机F120的第一级风扇叶片为SOF/DB夹层结构；可以减轻对毛料制备工艺和设备的压力，并有得于节约原材料和加工工时，提高质量。  
    分体式焊接叶盘结构可以采用多种焊接方法，如电子束焊（可采用其他熔焊）、扩散焊及线性磨擦焊。前两者对Ti合金较适宜，钛合金电子束焊及扩散焊的工艺性较好。若采用形变高温合金，尤其是粉末高温合金的盘，LFW将是最佳选择。  
    线性磨擦焊（LFW），美国也称Transitional Friction Welding(TFW)，作为整体叶盘单个叶片的修理工艺于20世纪80年代中期开发的，与 EBW、DB等焊接方法相比，LFW效率高，质量好，焊缝区组织极细，焊接接头的静、动载力学性能达到甚至超过母材的水平。除能焊接钛合金、一般形变高温合金外，可以焊接粉末冶金的高温合金，所以目前已用作整体叶盘的生产工艺。  
    叶盘结构目前主要用于风扇和压气机部分。根据美国IHPTET划，到2020年战斗机用发动机的涡轮也将采用整体叶盘结构（LFW、HIP—DB）。90年代末，带超级冷却叶片的高压涡轮整体叶盘已进行了核心机的试验。  
    我国对上述整体叶盘的生产工艺也开展了相应的研究。  
    2.3 鼓筒式整体转子  
    EBW和IFW的盘鼓结构是三代机的典型结构。其优点是：减少了大量的盘与盘之间的连接螺栓，使发动机的零件数和重量大大减少；减少或消除了应力集中的螺栓孔；整体转子刚性好，可得到较高的平衡精度，减小振动，有利于保持较小的叶尖。
    2.4 大型宽弦风扇叶片  
    钛合金由于其优良的综合性能在航空领域应用的越来越多，钛合金的焊接/连接技术也已成为工业部门的研究热点。先进飞机的中后机身一般采用钛合金框。其制造工艺路线有三种：  
    1）整体锻造经数控加工制成。  
    2）小型锻件经焊接成整体结构，然后经数控加工制造。  
    3）经铸件+热等静压+焊接连接+数控加工  
    F-22后机身钛合金整体框，采用大型模锻件，投影面积为5.53m2。由于我国的精密锻造技术与先进国家比还较落后，航空产品大型结构件上还没有采用大型模锻件。目前均采用整体大锻件毛坯（最大投影面积约0.6m2）经机械加工成形，然后分段焊接而成。潜弧焊焊接的飞机钛合金框，电子束焊接的飞机钛合金框。  
    2.5 飞机起落架的焊接  
    欧美国家起落架选用300M和35NCD16低合金超高强度钢整体锻件结构加工工艺，零件外形加工后进行真空热处理或可控气氛热处理。材料利用率只有12.5%-25.0%。  
    俄罗斯起落架选用30CrMnSiNi2A（真空冶炼）低合金超高强度钢锻件焊接结构加工工艺，主要受力构件采用高压真空电子束焊焊接，焊后进行热处理（空气炉加热+盐浴炉淬火）。  
    目前，新型的高强度、高韧性和高腐蚀抗力的改进型镍-钴低碳合金钢已开始在舰载飞机起落架上应用，最典型的材料是AerMet100和AF100，此类材料除具有优异的综合力学性能外，还具有优良的疲劳性能和焊接性能，可替代现在使用的起落架结构材料300M和4340钢等。国内起落架受力构件材料主要采用300M和30CrMnSiNi2A超高强度钢，有的采用整体加工，有的采用焊接结构。大型构件的深孔加工和热处理变形控制以及超高强度钢的高效数控切削加工是国内起落架加工存在的主要问题。另外AerMet100钢尚未应用。 
    3 发展思路  
    通过国内外情况对比分析，可看出连接技术的主要发展趋势是：  
    1）新型或特种材料及异种材料构件的连接。  
    2）复杂产品、构件和器件精密连接。  
    3）焊接过程的自动化与智能控制。  
    4）太空等特殊环境工作条件下的焊接。  
    5）复杂焊接产品质量的可靠检测与寿命评估。  
    6）传统连接工艺的改进及新型焊接工艺方法的开发。  
    7）绿色连接技术和再利用修复技术。  
    3.1 焊接技术  
    从国内外飞机、发动机已采用的拟采用的焊接结构及焊接技术发展概况看，今后我国航空焊接技术应注重如下几方面：  
    1）加速新焊接方法的应用研究。尽快掌握激光双光束填丝焊、搅拌摩擦焊、线性摩擦焊、活性剂-气保护弧焊等新工艺，完善性能数据，掌握最佳焊接工艺及其流程。  
    2）进一步扩大电子束焊接技术的应用，解决塑性较差的高强钛合金、超高强钢以及大厚度材料框和盒形梁等结构的焊接工艺。  
    3）气保护焊、等离子弧焊要向数字化技术靠拢，提高自适应能力（弧长调节、焊缝跟踪及轨迹控制、焊枪方位及熔透控制等），完善各类低应力无变形焊接技术，使之稳定地应用于生产。  
    4）配合材料研究部门，掌握4121、1460、2195铝锂合金，6013、6056铝镁硅合金，Ti55、Ti60高温钛合金，SP-700、Ti153、B21S、Ti17高强高韧钛合金，以及BKC-210/240、Aermet100/310等超高强钢的焊接技术。  
    5）掌握ODS材料、粉末高温合金及金属间化合物的扩散连接工艺，关注各类蜂窝结构（如全点焊高温合金蜂窝壁板、LID-DB钛合金蜂窝壁板）制造技术及其应用。  
    6）探索热塑性树脂基复合材料。金属基复合材料、工程陶瓷及陶瓷基复合材料以及C/C复合材料连接技术。  
    7）建立焊接工艺数据库（含资源管理、工艺文件），实现各种厚度结构件焊接过程中焊缝收缩及应力应变的仿真技术，进一步加强焊接结构完整性及可靠性评定技术研究。  
    8）建立并不断改进完善飞机及发动机件的焊接数字化生产线。  
    4 结束语  
    随着飞机、发动机对减重、提高性能的需要，先进及特种焊接技术、先进粘接技术、高质量机械连接技术等先进连接技术起着越来越重要作用。相信中国航空焊接/连接技术在需求牵引，技术推动的相互作用下，一定会取得快速进步。 . ^, R, E* ~ ]4 Q, [; q* v