航空航天中輕合金焊接工藝的探究

◎王佐臣

在航空航天工藝術(shù)技術(shù)不斷成熟的當(dāng)下，輕合金的焊接工藝成本較低，焊接質(zhì)量更高，運用該焊接工藝制造的航天器更加輕盈與靈活?，F(xiàn)階段，輕合金領(lǐng)域的研究更加深入，焊接技術(shù)的發(fā)展，推動了航空航天事業(yè)的發(fā)展，輕合金焊接件以其安全、可靠的特點，使飛行器的負荷得以降低，生產(chǎn)效率得以明顯提升。

一、可焊性鋁鋰合金的研究進展

目前，鋁鋰合金在液體運載火箭以及飛行器方面發(fā)揮著重要的作用，同時還應(yīng)用于儀器艙與導(dǎo)彈航等制造領(lǐng)域，其具有密底低、強度高以及彈性良好的特點，可以應(yīng)用于承受軸結(jié)構(gòu)件的制度當(dāng)中，可以實現(xiàn)負載的有效降低，對外力具有較強的抵抗作用。同時，由于鋁鋰合金具有重量輕的特點，鋁鋰合金逐漸取代了鋁合金而成為航空航天飛行器的主要結(jié)構(gòu)件。在焊接過程中，通過精良的焊接工藝也使鋁鋰合金的作用得以發(fā)揮，使導(dǎo)彈彈頭殼強度更高、剛性極佳，這對火箭推進劑的穩(wěn)定提供了保證。20世紀90年代，原蘇聯(lián)的航空研究中心在鋁鋰合金的技術(shù)上有了進一步的延伸，將1450Al-Li合金升級為460A1-Cu-Li-Mg-Zr-Sc系合金，強度和性能有了更大的提升。

二、航空航天中輕合金焊接工藝及其應(yīng)用探究

1.熔化極氣體保護焊。

熔化極氣體保護焊在焊接熔池或高溫金屬時，其焊接成本較低，此方法主要是以特殊的電弧焊方法作為電弧介質(zhì)，進而使焊接工藝的質(zhì)量得以保證。此焊接藝術(shù)在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用較為廣泛，是火箭烯料貯箱內(nèi)的主要焊接構(gòu)件。同時，此技術(shù)以其先進的自動焊接功能被應(yīng)用于愛國者導(dǎo)彈的彈翼，使不銹鋼翼的制作板材穩(wěn)定性更佳，安全性更高。

2.鎢極氣體保護焊。

與熔化極氣體保護焊的成本優(yōu)勢不同，鎢極氣體保護焊只有在熱源充足的情況下才可以進行焊接，如無法保證焊接熱源、焊接資金不足，烏極氣體保護焊的技術(shù)效果將難以發(fā)揮。并且，在焊接6mm以下的飛機管路系統(tǒng)、魚鱗門、不銹鋼、發(fā)動機散熱器核心等構(gòu)件上，鎢極氣體保護焊的焊接效果更佳。在焊接土量與火箭的燃料貯箱時，僅采用熔化極氣體保護焊進行焊接難以實現(xiàn)焊接變形，因此，必須應(yīng)用鎢極氣體保護焊，才可以提高焊接質(zhì)量，制作出工藝精良的燃料貯箱。

3.可變極性等離子弧焊。

此焊接技術(shù)在厚度中等的鋁合金材料方面的應(yīng)用較為廣泛，在航空航天領(lǐng)域，主要應(yīng)用于外油箱厚截面型材的焊接?？勺儤O性等離子弧焊的焊接原理是其正極與負極所發(fā)揮的作用并不相同，正極可以實現(xiàn)金屬的熔融與穿透，而負型由可以實現(xiàn)型材陰極的鈍化。在數(shù)值控制方面正極與負極的標準都較為明確，與負極電流相比，正極電流高出范圍為40至80A。同時，在焊接外油箱時，采用可變極性等離子弧焊進行焊接可以顯著提升焊接工藝質(zhì)量，同時也可以有效節(jié)約焊接成本。

4.電子束焊。

從焊接強度層面分析，與鎢極氣體保護焊相比，電子束焊的焊接強度更高。二十世紀五十年代，外國專家通過實踐發(fā)現(xiàn)，在焊接超過8mm的中厚板材時，電子束焊的焊接效率更高，同時焊接工藝質(zhì)量極佳。其不足之處是，必須在真空環(huán)境才可以完成電子束焊操作，因此，焊接成本較高，由于空間的限制，無法焊接尺寸較大的焊件。軍用飛機所應(yīng)用的型材必須具有較高的強度，通常鈦合金材質(zhì)應(yīng)用較多，然而由于其性質(zhì)并不穩(wěn)定，極易在空氣中氧化，因此，可以采用電子束焊的方式在真空環(huán)境進行焊接。從20世紀70年代開始，電子束焊焊接就被美國的麥道公司開始使用在F15戰(zhàn)機的機翼和機尾結(jié)構(gòu)上，隨后，F(xiàn)14、F22、颶風(fēng)等都通過電子束焊進行焊接變截面構(gòu)件、機身、尾翼等結(jié)構(gòu)上。此外，俄羅斯能源號的火箭貯箱面積很大，需要通過電子束焊進行真空焊接，使用電子束將介質(zhì)液體實施密封，最終順利焊接成1460Al-Li合金。所以，能源號火箭才成功將暴風(fēng)雪號航天飛機運載升空。

5.攪拌摩擦焊。

在1991年，英國發(fā)明了一種固態(tài)焊接技術(shù)—攪拌摩擦焊，能夠成功將變形的機械進行金屬焊接。事實上，攪拌摩擦焊主要是繼承原有的焊接技術(shù)，通過特殊制作的摩擦頭操作需要被焊接的構(gòu)件上，在壓力的作用下，摩擦頭能實現(xiàn)可控制的旋轉(zhuǎn)，將焊接部位升溫發(fā)熱變形后才進行焊接。因此，攪拌摩擦焊最大的特征是接頭沒有裂紋、氣孔，更不會存在雜質(zhì)，就能在不飛濺金屬液體的情況下，進行材料的焊接。而且，由于焊縫的熱源影響不大，焊接的區(qū)域面積更加能方便掌握，即便是非常小的焊接組織，也可以輕松連接。此外，攪拌摩擦焊的焊接強度又有了新的提升，在用電弧焊的基礎(chǔ)上提升了60%，材料的厚度也更加精細，能實現(xiàn)1.2-55mm的構(gòu)件焊接。

6.超塑成形／擴散連接。

超塑成形／擴散連接技術(shù)不僅能實現(xiàn)超塑成形焊接，還能夠?qū)U散的金屬狀態(tài)成功實現(xiàn)粘合，焊接成為一個整體性的結(jié)構(gòu)，技術(shù)質(zhì)量有了進一步的提高，能快速生產(chǎn)出符合飛機使用的鈦合金零件。因此，此技術(shù)與鈦合金上的完美融合，進一步推廣了超塑成形／擴散連接技術(shù)的研究開發(fā)。英國宇航公司Bae的125／800出口艙門，自從使用超塑成形／擴散連接技術(shù)的鈦合金艙門后，由原先的78個部件直接減少到14個部件，從千余個緊固件縮減到不到一百個，成本得到了有效的控制。

三、前景展望

在構(gòu)件改造方面，輕合接焊接工藝不斷發(fā)展，極大的提高了構(gòu)件的質(zhì)量與性能，同時也實現(xiàn)了制作成本的有效控制?，F(xiàn)階段，焊接技術(shù)的研發(fā)得到了相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也更加廣泛，可以使軍用或民用飛機結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。此外，鈦合金以及鋁鋰合金的焊接技術(shù)應(yīng)進一步應(yīng)用與發(fā)展，進而為航空航天事業(yè)在國際競爭中地位的提升奠定基礎(chǔ)。

結(jié)語：鋁的導(dǎo)電性能良好，密度較小，具有較高的機械強度，基于這些物理物性，鋁在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。現(xiàn)階段，鋁及輕鋁合金逐漸應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，其焊接工藝不斷提升，應(yīng)用范圍不斷拓展，未來，輕合金焊接工藝必然進一步發(fā)展，進而可以有效促進鋁合金在各個領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。