民機(jī)先進(jìn)連接制造技術(shù)概況

谷斌

摘 要 隨著航空制造業(yè)的快速發(fā)展，飛機(jī)先進(jìn)材料和結(jié)構(gòu)間的連接制造技術(shù)也正發(fā)生著日新月異的變化。文章簡要介紹幾種民機(jī)先進(jìn)連接制造技術(shù)，并概述這些技術(shù)在波音、空客等國外先進(jìn)飛機(jī)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 攪拌摩擦焊；激光焊；膠接；電磁鉚接；自動鉆鉚

中圖分類號：V26 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0001-02

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空制造業(yè)也發(fā)生了巨大的變化。特別是近十幾年來，隨著新材料、新結(jié)構(gòu)和新的設(shè)計理念的不斷涌現(xiàn)，飛機(jī)先進(jìn)的制造和設(shè)計技術(shù)在不斷創(chuàng)新和發(fā)展，民用飛機(jī)向新型的高性能、高輕型、高可靠性、高舒適型及長壽命和低成本的方向發(fā)展和更新。為了滿足現(xiàn)代飛機(jī)新型輕質(zhì)合金、新型復(fù)合材料、夾芯材料及新型疊層板材料等結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展和廣泛應(yīng)用的需求，飛機(jī)材料或結(jié)構(gòu)的先進(jìn)連接技術(shù)也備受研究者的關(guān)注，并得到了廣泛的研究和發(fā)展。飛機(jī)結(jié)構(gòu)所承受的載荷主要通過連接部位進(jìn)行傳遞，這樣連接部位就容易發(fā)生應(yīng)力集中。據(jù)統(tǒng)計飛機(jī)機(jī)體疲勞失效事故的70%起因于結(jié)構(gòu)連接部位，其中80%的疲勞裂紋發(fā)生于連接孔處，因此，連接質(zhì)量極大地影響著飛機(jī)的壽命。針對不用連接材料或結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用恰當(dāng)?shù)倪B接方式具有非常重要的意義。

目前，國際上采用了多種先進(jìn)的連接制造技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用，提高了連接質(zhì)量，降低了制造成本，提高了工作效率，減輕了結(jié)構(gòu)重量等，具有一系列優(yōu)點(diǎn)。

1 攪拌摩擦焊接技術(shù)

攪拌摩擦焊是一種新的固相焊接方法。焊接過程中，攪拌頭旋轉(zhuǎn)下壓走過工件結(jié)合處，由于攪拌頭與被焊接工件強(qiáng)烈持續(xù)摩擦，產(chǎn)生極高的熱量，使被焊接金屬材料在攪拌頭附近溫度升高并熱塑變形，隨著攪拌頭沿著焊接界面向前攪拌運(yùn)動，熱塑化金屬杯攪拌頭向后移動，同時施加動態(tài)壓力，在熱塑變形和壓力共同作用下，將金屬材料焊接在一起，形成致密的焊接接縫。

傳統(tǒng)加工方法，飛機(jī)壁板和加強(qiáng)筋是鉚接一起的，攪拌摩擦焊技術(shù)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉚接，這樣，就避免了在壁板上鉆孔，增強(qiáng)了壁板的抗疲勞能力。同時，由于省去了鉚釘，既減輕了結(jié)構(gòu)的重量又降低了材料成本。由于攪拌摩擦焊的諸多優(yōu)點(diǎn)，國際上飛機(jī)制造公司如波音、空客、龐巴迪等已經(jīng)成功將這種技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)的連接和制造中，并繼續(xù)在開發(fā)適合飛機(jī)結(jié)構(gòu)和材料的新型攪拌摩擦焊工藝方法。

攪拌摩擦焊技術(shù)特別適合于機(jī)身上平直加筋壁板和小曲率壁板中蒙皮和蒙皮的對接以及蒙皮和加強(qiáng)筋的連接，在大型民用飛機(jī)的機(jī)身蒙皮結(jié)構(gòu)連接制造中，已經(jīng)開始用攪拌摩擦焊技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚接工藝，該技術(shù)已在空客A350-800和A350-900飛機(jī)中得到了應(yīng)用。隨著飛機(jī)制造公司對該技術(shù)的掌握和進(jìn)一步發(fā)展，攪拌摩擦焊技術(shù)可以應(yīng)用到很多個飛機(jī)結(jié)構(gòu)的連接制造中，如機(jī)身蒙皮的環(huán)向?qū)雍涂蚨沃g的裝配連接制造、飛機(jī)中空夾層結(jié)構(gòu)（如尾翼方向舵、副翼及襟翼等）封閉式結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊整體制造、飛機(jī)開口部位（如艙門、窗口、檢修和維護(hù)口蓋等）的加強(qiáng)可以通過攪拌摩擦焊技術(shù)實現(xiàn)無鉚接頭制造、飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)中邊框和腹板的連接、飛機(jī)部分型材結(jié)構(gòu)（如儀器艙地板及隔板、座艙背板、貨倉地板及斜臺地板等）的連接和制造。

2 激光焊接技術(shù)

激光焊接是將高強(qiáng)度的激光輻射到被焊接材料的連接處，激光照射到材料的表面施加能量，被焊接材料將吸收激光的能量轉(zhuǎn)化為熱能，使材料熔化交接在一起，然后冷卻結(jié)晶形成焊接。

激光焊接與其他焊接方法相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，焊接接觸面積小，焊接熱影響區(qū)金相變化范圍小，焊接的殘余應(yīng)力小，工件變形小，可以實現(xiàn)高精度焊接，可用于大批量自動化生產(chǎn)的微、小型工件的組焊中；焊接不受距離限制，可以焊接難以接近的部位，實施非接觸的遠(yuǎn)距離焊接，對于空間狹小不便操作的區(qū)域具有很高的靈活性，也可變換設(shè)備將激光束發(fā)送至多個工作站，進(jìn)行自動化高速焊接；可以焊接難熔金屬，熱敏感性強(qiáng)的材料以及非金屬材料，比如鈦、石英、陶瓷及有機(jī)玻璃等。

在飛機(jī)制造中，激光焊接可用于蒙皮與長桁的連接，取代傳統(tǒng)的鉚接。焊接速度快于鉚接，且易于自動化操作，可以提高生產(chǎn)效率。由于省去了鉚釘、密封膠、墊板和止裂板，所以降低了制造成本，減輕了飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量。由于沒有鉚釘孔，沒有應(yīng)力集中，所以提高了蒙皮的抗疲勞性能和耐腐蝕性能。激光焊接還可用于大塊蒙皮的對接，比如機(jī)身蒙皮的環(huán)向和縱向?qū)?，焊接后的對接質(zhì)量優(yōu)良，沒有鉚釘頭和蒙皮搭接部分，外形光滑，保證了飛機(jī)更好的氣動外形。

激光焊接技術(shù)已應(yīng)用于波音、空中客車等主要國際航空企業(yè)的飛機(jī)制造中，空客A380的機(jī)身壁板蒙皮與長桁的連接采用的是激光焊接，此項工藝的應(yīng)用與傳統(tǒng)的鉚接工藝相比，節(jié)省制造成本大約20%，減輕重量大約10%，同時提高了抗腐蝕能力，縮短了生產(chǎn)周期。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中其他一些薄壁零件，如燃油導(dǎo)管、液壓導(dǎo)管、環(huán)控導(dǎo)管等異形封閉零件，在連接制造中可以采用激光焊接。隨著鈦合金等新材料的大量使用，這些零件傳統(tǒng)的焊接，對于薄壁材料引起的焊接變形超出公差范圍，并且焊接缺陷無法修復(fù)。激光焊接殘余應(yīng)力小，零件變形小，可以滿足質(zhì)量要求。

3 自動化電磁鉚接技術(shù)

電磁鉚接（俄羅斯稱磁脈沖鉚接）是一種短時高速成形技術(shù)，鉚釘在很短時間（一般為200 μm左右）內(nèi)完成塑性變形，釘桿的膨脹比較均勻，能在材料結(jié)構(gòu)的表面形成比較均勻的干涉量，減少安裝損傷，形成長壽命、高可靠性的連接，有傳統(tǒng)鉚接方法無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢?？梢杂糜诟鞣N材料鉚釘?shù)你T接成形。

電磁鉚接技術(shù)最初是手工的，波音公司在早期的機(jī)型如B727和B747等的機(jī)翼壁板上就采用了手工電磁鉚接技術(shù)進(jìn)行裝配。20世紀(jì)90年代開始將該技術(shù)應(yīng)用于自動化裝配上，并陸續(xù)用于波音B777、B767等機(jī)型的機(jī)翼壁板的自動化裝配上。2007年EI公司針對以復(fù)合材料為主體的B787飛機(jī)，結(jié)合自動化技術(shù)，通過技術(shù)攻關(guān)將電磁鉚接技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上鐓鉚型鈦環(huán)槽釘?shù)淖詣踊惭b上，用于波音787復(fù)合材料機(jī)身段的自動化裝配?？湛蛷?0世紀(jì)90年代開始，也陸續(xù)開始將自動電磁鉚接技術(shù)應(yīng)用到A320、A330、A340、A380等飛機(jī)的機(jī)翼壁板自動化裝配上及金屬結(jié)構(gòu)鐓鉚型環(huán)槽鉚釘環(huán)圈的自動安裝上。2006年為了滿足A320機(jī)翼壁板生產(chǎn)的需求，配備了先進(jìn)的機(jī)翼壁板自動化電磁鉚接柔性裝配系統(tǒng)。endprint

4 數(shù)字化自動鉆鉚技術(shù)

自動化鉆鉚的過程是由編制好的程序在數(shù)控機(jī)床上運(yùn)行，一次性完成夾緊、鉆孔、锪窩、注膠、壓鉚、銑平等全部工序。

當(dāng)今世界民用飛機(jī)市場競爭激烈，每家公司都在最求更高的安全使用壽命，以及更長的維護(hù)周期，這就要求更高的鉚接質(zhì)量，自動鉆鉚技術(shù)消除了鉚釘孔的毛刺，從而提高了結(jié)構(gòu)的抗疲勞性，采用機(jī)器設(shè)備鉆鉚保證了鉚接質(zhì)量的穩(wěn)定性，也提高了結(jié)構(gòu)的防腐蝕能力。自動鉆鉚技術(shù)一般用于安裝工作量大、表面質(zhì)量要求嚴(yán)、種類單一的緊固件和具有較好的開敞性的裝配件。

空客德國在機(jī)身蒙皮鉚接時采用自動鉆鉚系統(tǒng)和柔性裝配系統(tǒng)，脫機(jī)編程已經(jīng)應(yīng)用成熟，可直接與CATIA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換傳遞，實現(xiàn)數(shù)字自動化鉚接，其自動化鉚接水平世界領(lǐng)先，不僅保證了高級的鉚接質(zhì)量，也大大地提高了生產(chǎn)效率。波音767機(jī)身的機(jī)鉚率為97%。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，鉆鉚自動化已經(jīng)從單臺數(shù)控鉆鉚機(jī)，向多臺自動鉆鉚機(jī)或鉆鉚裝置、鉚釘傳送裝置、托架、真空吸屑裝置、傳感控制裝置等組成的計算機(jī)集成控制的柔性自動裝配系統(tǒng)方向發(fā)展。

5 結(jié)束語

隨著民用飛機(jī)連接制造技術(shù)的不斷發(fā)展，使得飛機(jī)制造成本更低、制造周期更短且結(jié)構(gòu)性能更高。因此，飛機(jī)在設(shè)計階段就應(yīng)該考慮應(yīng)用新的制造技術(shù)，最好能夠預(yù)見設(shè)計結(jié)束后可能能夠應(yīng)用的最新制造技術(shù)，這些技術(shù)總的發(fā)展趨勢是向著飛機(jī)制造更精確、更經(jīng)濟(jì)、更自動化和飛機(jī)飛行更環(huán)保、更安全的方向發(fā)展。

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