1、先進連接技術在航空航天工業中的應用關鍵詞：電子束焊接 活性化焊接 熔化極等離子弧焊接 熔池諧振熔透控制 隨焊沖擊碾壓法 航空 焊接 機械連接粘接 0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、發動機制造中不可缺少的技術。先進連接技術的發展總是不斷地從毅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，創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，應用先進焊接技術研制出了先進的焊接結構，如慣性摩擦焊整體壓氣機轉予、電子束焊鍛鑄、鍛一板拼焊機匣

2、和真空釬焊扇形段整組葉片及蜂窩密封環結構件等，大大提高了發動機的性能、壽命和可靠性，也減輕了發動機的重量。“大飛機”計劃、擁有自主知識產權的ARJ21飛機“神七”宇宙船、“嫦娥奔月”計劃、載人航天工程、新一代大型運載火箭及新型衛星等航空航天型號的需求，牽引著航空航天焊接技術的發展，先進焊接技術在航空航天中的應用也必然推動航空航天型號的發展。1 國內外先進連接技術發展現狀1.1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、發動機性能的提高。111 國

3、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，Fill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。F 22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年代研制的米格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

4、米格33的機頭(含座艙)。該油箱與原蘇聯皿16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了金屬重疊部分、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nH13 e n JI H H H院士1990年在我國講學時曾說過：“用發展的眼光看，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。”表2列出第三代、第四代、第五代飛機和發動機所采用的典型焊接結構及其焊接方法。112 國內情況20世紀60年代以

5、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，車間及設備陳舊不堪，技術水平下降。MD一82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

6、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一焊接一熱處理的過程，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，許多新工藝如EBW、IFW、VB、自動氨弧焊、軌跡氬弧焊和弧焊機器入、SPFDB、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

7、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是某型航空發動機典型電子束焊接件匯總。12 機械連接技術飛機機械連接的工作量仍占機體制造工作量的20左右，且對機械連接技術提出了更高的要求。機械連接已發展為高效、高質量、高壽命、高可靠性的機械連接技術，包括先進高效的自動連接裝配技術、高效高質量的自動制孔技術、先進多功能高壽命的連接緊固系統技術、長壽命的連接技術和數字化連接裝配技術。121 國外情況自動化是裝配連接工藝發展的重要方向。目前連接裝配機械化、自動化主要體現在制孔自動化、鉚接自動化、裝配自動化；自動鉆鉚制孔主要是對壁板類零件、組件進行制孔然后進行自動鉚接，使用部位主要是

8、金屬結構的壁板類零件；機器人制孔是解決特殊需要如應用于復合材料零件及自動鉆鉚機制孔不易實現的部位、或在自動化裝配生產線上使用，具有重復精度高、生產效率高。美國格魯門公司于20世紀70年代初開始將用電磁鉚接用于F一14復合材料制件的鉚接，隨后波音公司又在波音系列飛機采用磁脈沖鉚接進行裝配，包括油箱區的密封鉚接。在自動電磁鉚接方面，有俄羅斯用于殼體結構和圓筒結構進行補鉚的自動化電磁鉚接；自動化裝配系統是采用機器人、自動鉆鉚機、電磁鉚接動力頭等組成的柔性自動裝配系統，具有自動傳送工件、自動測厚及測孔、自動鉆及緊固件連接等功能，應用于翼梁、機身及尾部等部位組件的裝配。現代先進飛機對緊固件的要求越來越高

9、，如輕質、比強度高、耐腐蝕、抗疲勞、可控預載、耐高溫、防雷擊、密封性、隱性性及良好的維護性、安裝方便等。一架飛機緊固件的造價占全機費用的35，因此世界各國都花費大精力進行各種新型連接系統的研究。在近20年的過程中，美國在金屬結構上使用的緊固件主要研制、生產高強緊固件，擴大鈦緊固件的應用，研制、生產防腐緊固件，特殊用途緊固件研制，著重開發復合材料結構用緊固件系統，如鉚接用鈦鈮鉚釘(鈦鈮實心鉚釘、鈦鈮空尾鉚釘、雙金屬鉚釘)系列產品，輕型鈦高鎖螺栓，鈦環槽釘及干涉鈦環槽釘系統，鈦合金單面螺紋抽釘、干涉抽釘、特大夾層(35ram)抽釘系統，用于蜂窩結構的可調予載緊固件系統、復合材料緊固件系統，并制定了

10、相應的宇航標準。122 國內情況目前國內飛機工廠生產飛機，其制孔仍以手ISJJ孑L、自動進給風鉆制孔為主，自動鉆鉚機制孔寥寥無幾，沒有使用機器人制孔；雖引進了十余臺自動鉆鉚機，但大多配置的是簡單的手工托架，限制了自動鉆鉚機的應用，還沒有自動電磁鉚接機及能用于自動鉚接的小型化電磁鉚接動力頭。在飛機使用的輕質鈦合金緊固件上有了較大發展，已研制出了鈦螺栓、鈦高鎖螺栓、鈦環槽釘及鈦單面螺紋抽釘等產品，基本上滿足間隙配合連接裝配的需要，但先進緊固件的種類以及新品種、多功能、特殊用途、干涉連接系統與國外有較大差距，如防腐緊固件、蜂窩結構用可調緊固件、復材結構干涉緊固件、高性能復合材料緊固件及復合功能緊固件

11、系統等仍是空白。在金屬結構上使用的孔強化、干涉連接技術基本達到與國外相同水平；但在復合材料結構連接上，干涉配合連接技術仍處于研究階段。國內開展了復合材料結構干涉環槽緊固系統；復合材料結構干涉電磁鉚接、干涉環槽緊固系統連接技術、復合材料自動鉆孔工藝及磁脈沖鉚接技術研究。13 粘接結構件制造技術 粘接技術可用于連接不同材料、不同厚度、二層或多層結構。粘接結構重量輕：密封性能好，抗聲振和顫振的性能突出。膠層能阻止裂紋的擴展，具有優異的耐疲勞性能，此外粘接結構制造成本和維修成本低。粘接、蜂窩粘接結構及金屬層板結構在大型飛機上的應用前途寬廣。131 國外情況英國在1946年采用了全金屬粘接技術制造了世界

12、上第一架有鋁合金粘接結構的鴿子號(Dove)支線客機。隨后在很多支線客機上得到推廣應用(如J卜340支線客機)，1978年投產的BAe146客機大量采用了粘接結構，到1986年BAe-146飛機已安全飛行了12萬h。美國生產的卜1011飛機的增壓客艙全部采用了大型的粘接整體壁板，機身增壓艙直徑大部分為6m，全長46m，由五個筒形艙組成，劃分為27塊大型粘接壁板。全金屬粘接技術在L 1011飛機上得到了充分發揮。進入20世紀80年代后，波音757、767客機也都采用大量的鈑金粘接結構。金屬蜂窩夾層粘接結構大量應用于飛機結構始于美國，美國研制的B一58轟炸機，蜂窩夾層粘接結構占機體表面積85，比鉚

13、接結構減重30。通過20世紀70年代美國實施PABST計劃，徹底解決了粘接蜂窩結構耐腐蝕的問題，形成了新一代的耐久粘接技術，80年代在F一16飛機粘接結構的生產中，為進一步提高產品的精度和產品合格率實施了“工藝現代化計劃”，革新制造環境，包括制造工藝，質量保證及生產管理，上述計劃實施后，確保了產品質量。對關鍵工序實行了計算機控制的自動化生產，提高了生產效率，降低了生產成本。利用粘接技術將各向同性的鋁合金(含鋁鋰合金)薄板與各向異性的纖維復合材料結合起來，可以得到兼具二者優點又克服各自缺點的新型結構材料纖維鋁合金復合層板粘接結構，基于芳綸纖維的復合層板稱為A黜址L結構，基于玻璃纖維的稱為GLAR

14、E結構。金屬復合層板的特點：較好的耐疲勞性能、損傷容限高，以及較高的剩余強度，從而可減少蒙皮的厚度，因此可比同類鋁合金結構重量輕2333；可采用傳統的粘接工藝和成形加工設備，制造成本低于復合材料；對疲勞壽命2030年的飛機而言，具有優異的耐疲勞性能和很高的損傷容限特性的金屬復合層板結構，可實現全壽命周期免維護目標，大大減少了維修費用。GLARE層板具有比ARALL層板更好的損傷容限和更寬的應用范圍，ARALL層板的芳綸纖維抗壓性能差，在循環壓應力作用上容易斷裂，因此，ARAIJ，層板只能用做機翼下蒙皮，而不適合用做機身蒙皮，GLARE層板結構不存在這個問題。Airbus公司正在研制的A380大

15、型寬體客機(550660座)將采用GLARE制造機身上壁板，包括整個客艙的上半部分，比采用鋁合金板減重800kg。預示著復合層板在大型軍、民用運輸機上將有較好的應用前景。132 國內情況20世紀50年代末開始研制飛機金屬粘接結構；60年代中期在殲擊機上大面積采用粘接無孔鋁蜂窩結構；70年代研制成垂尾全金屬粘接壁板，全粘接壁板；80年代耐久粘接結構技術已獲得基本突破；90年代先進粘接體系已基本形成。J116J117耐久膠粘劑體系滿足美國AMS3895標準。“九五”期間研制成重要的耐久、耐高溫飛機鋁合金蜂窩夾層結構前緣機動襟翼。另外，還開發了金屬粘接層板及纖維增強鋁合金粘接層板(含ARALL層板)

16、結構制造技術。并已在垂尾上試用；許多工廠承擔了國外客機粘接結構零部件轉包生產。金屬粘接蜂窩結構及纖維增強鋁合金粘接層板是一項高性能低成本制造技術，國內制造能力基本具備，應加強應用推廣，尤其是大型飛機上的應用。2 航空航天焊接若干新技術進展1.1 電子束焊接新進展電子束焊接是航空航天產品的主要焊接方法之一。近年來，為應對激光焊接的競爭壓力，實現低成本高質量的焊接，電子束焊接產生了一些新的概念和進展。主要是圍繞著電子束焊接設備及控制、同種及異種材料焊接工藝、電子束焊接理論及焊接冶金及表面加工這4方面展開的。1.1.1 使用LockLoad技術的新的真空系統抽真空的閑置時間限制了電子束焊接的效率，小

17、真空室抽真空時間為40s，中型為300s，大型為3000s。以小型件焊接時間10s計，閑置時間占生產周期的80。為提高焊接效率，最近新開發了LockLoad技術，允許抽真空和焊接同時進行，如圖1所示。1.1.2 高速偏轉多束技術多束技術是指從一個源產生的一束電子，以極快的速度在不同的位置之間跳躍，由于熱慣性的存在，就好像同時有多束電子束作用，如圖2所示。多束技術根據焊點的位置和能量的不同，又分為多熔池焊接、多道焊接、多工藝焊接，分別如圖3所示。多束技術的應用有4個位置同時焊接發動機的銅線圈：緊挨著的三束電子焊接鑄鋁無氣孔；抑制熱裂紋；在線焊縫跟蹤：對稱焊接減少熱變形。2活性化焊接活性化焊接最早

18、是由烏克蘭巴頓電子焊接研究所(PWI)于20世紀60年代研制的一種新的TIG焊方法一ATIG焊。這種方法能很好地克服了普通TIG焊方法熔深淺、對材料成分敏感的缺點。ATIG焊中，焊接之前在材料表面涂敷一薄層活性劑，結果熔深有了較大的增加。與普通TIG焊方法相比，相同的焊接參數，活性劑能使熔深增加200300，焊接時間減少50，焊接效率提高26倍，焊接成本也減少。活性化TIG焊技術在國內外已經進行了廣泛的研究，如美國愛迪生焊接研究所(EWD、美國LIBURDI公司、英國焊接研究所(TWI)、烏克蘭巴頓焊接研究所(PWD、日本大阪大學、以及德國、巴西及法國等大學和科研機構，針對不銹鋼、鎳基合金、銅

19、鎳合金、碳鋼、超雙相鋼和鈦合金等進行了研究，并已在許多產品上應用。活性劑配方是ATIG焊的關鍵技術。目前常用的活性劑成分主要有氧化物、氯化物和氟化物。不同的材料，其適用的活性劑成分不同。3熔化極等離子弧焊接技術熔化極等離子弧(Plasma-MIG)焊接工藝早在20世紀70年代就被提出，但受當時電源技術的限制沒有發展起來。這一問題在90年代末得到了解決，目前德國首先開展這方面的研究和應用工作。這種工藝綜合了熔化極氣體保護焊和等離子弧焊的優點，非常適宜鋁鎂等輕金屬及合金的焊接。在焊接薄板時，可以高速焊(例如對2mm鋁板，焊接速度可達3000mmmin，是常規焊接工藝的10倍，與激光焊速度相當，而且

20、焊縫質量好，變形小)；頭區的充分清理作用，所以焊縫中氣孔缺陷明顯較少。圖5是熔化極等離子弧焊接的原理及焊縫照片，將熔化極氣體保護焊與等離子弧焊接結合到一起。在熔化極電弧之外，包圍著一個壓縮的等離子弧。熔滴過渡平穩，飛濺很少。等離子弧對焊件有陰極清理作用，使焊縫質量提高，缺陷較少，尤其是氣孔缺陷明顯減少。其技術關鍵為焊槍的設計和制作，以及焊接電源的匹配及控制。4 TIG焊焊接過程質量控制熔池振蕩檢測方法由于將檢測信息直接與熔池尺寸相聯系而受到關注。熔池諧振檢測法采用了一種變動焊接電流，誘發熔池金屬產生振蕩，在焊接熔池長大過程的每一時刻，熔池固有振蕩頻率都在變化，一旦熔池長大到某一尺寸，其固有振蕩

21、頻率和變動電流的頻率相一致，則熔池產生諧振，諧振信號通過電弧長度及電弧電壓或弧光強度的變化被檢測得到。這樣就可以提取到焊接熔池振蕩頻率和變動電流頻率相一致時的熔池尺寸信息，進而進行反饋控制。其原理分別如圖6圖10所示。薄壁TIG焊焊縫成形熔透實時控制系統已應用于某新型發動機鈦合金部件的自動控制焊接，實現良好的單面焊雙面成形。5 隨焊沖擊碾壓法控制應力變形防止熱裂紋51工作過程圖1l是隨焊沖擊碾壓裝置結構圖，氣錘沖擊活塞在壓縮空氣的推動下，在氣缸中上下往復運動。當活塞向下沖擊時，在行程的末端受到沖擊傳力桿的阻擋，在接觸的瞬間，將能量傳遞給沖擊傳力桿：這時氣流換向，活塞開始向上運動，開始下一個沖擊

22、循環：而沖擊傳力桿將帶動沖擊碾壓輪后座一起向下沖擊。沖擊力通過沖擊碾壓輪后座與沖擊碾壓輪之間的配合曲面傳遞到前后沖擊碾壓輪，并最終作用到被焊件上。工作時，隨焊沖擊碾壓機構緊緊跟隨在焊接電弧后面，并與焊槍同步運動。52控制應力變形防止熱裂紋的原理圖12為在前后沖擊碾壓輪作用下焊件中橫向塑性應變的分布圖，圖13所示為橫向塑性應變沿焊件橫截面的分布，圖14所示為在前后輪沖擊碾壓作用之后，縱向塑性應變沿焊件橫截面的分布。由圖14可知，前后輪經過以后，焊縫區縱向和橫向壓縮塑性變形都被充分延展，趨于均勻化，這必然會降低焊件焊后殘余應力和變形。53控制應力變形防止熱裂紋的試驗結果常規焊縫中出現了貫穿全長的熱

23、裂紋，而隨焊沖擊碾壓后的焊縫中沒有出現熱裂紋。隨焊沖擊碾壓后焊縫表面平整光滑，這會增大焊趾過渡半徑，降低幾何缺口效應的影響，緩解焊趾處的應力集中，有助于提高接頭的拉伸、疲勞等力學性能。對于平面封閉焊縫，常規焊接試件出現了非常大的“馬鞍形”變形，隨焊沖擊碾壓試件變形大大減小。經測量常規焊接試件的最大變形量達2893mm。當氣錘壓力達到067MPa時，隨焊沖擊碾壓試件最大變形量只有234mm，僅為常規焊接情況的112左右。常規焊接試件焊縫附近存在較大的拉應力，而在焊縫外側迅速下降為較大的壓應力。隨焊沖擊碾壓之后，由于沖擊碾壓輪的延展作用，使得焊縫中心部位的拉應力變為壓應力狀態，焊縫外側的壓應力峰值

24、大大降低，如圖15、16所示。另外，隨焊沖擊碾壓焊縫晶粒明顯細化，結晶的方向性也沒有常規焊縫那么明顯。焊縫中無論是氣孔的數量還是單個氣孔的體積都明顯減少了，焊縫區組織更加致密。隨焊沖擊碾壓接頭抗拉強度提高了17左右，伸長率提高了73，彎曲應力提高了11左右，彎曲角大約提高了50，疲勞壽命達常規焊接接頭的23倍，接頭的斷裂位置也由常規焊接接頭的焊趾部位轉移到焊縫部位。接頭區特別是焊縫中心和焊趾部位硬度也有了明顯提高，表明接頭軟化區重新得到強化。總之，隨焊沖擊碾壓能夠同時提高接頭的強度和塑性，強化接頭原本薄弱的焊趾部位，使接頭性能趨于均勻化，提高了接頭的整體性能。6結束語我國正在從航天大國向航天強

25、國快速發展，航天產品的結構越來越復雜，性能要求越來越高，迫切需要創造焊接和連接的新方法、新工藝、新技術。紹的若隨著飛機、發動機對減重、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的作用。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。參考文獻1 Dietrich von Dobeneck，Thorsten LowerEconomizing electron beam weldingTodayS state of the art and trends of development航空制造技術，2004，增刊(253)：12192Dietrich von Dobeneck，Thorsten LowerVolker AdamElektronenstrahlschweibenGermany：verlag moderne industrie，20013劉風堯不銹鋼和鈦合金活性劑焊接和熔深增加機理的研究：【博士學位論文】哈爾濱：哈爾濱工業大學，20034 UDilthey，LSte