關(guān)于航空航天中的輕合金焊接工藝探討

【摘要】隨著國(guó)內(nèi)航空航天的重大發(fā)展，與之相配套的工藝技術(shù)也日趨火熱，我國(guó)的航天飛行器逐漸朝輕盈、安全、性價(jià)比高的方向轉(zhuǎn)變，尤其是輕合金焊接技術(shù)，廣泛地被使用到航空航天領(lǐng)域，發(fā)揮出卓越的功效。全文闡述了當(dāng)啊前可焊性鋁鋰合金的研究現(xiàn)狀，并分別概述熔化極氣體保護(hù)焊、可變極性等離子弧焊、電子束焊、攪拌摩擦焊等工藝在飛行器上的作用，最后對(duì)國(guó)內(nèi)的焊接技術(shù)進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】航空航天；輕合金；焊接工藝

近幾年來(lái)，我國(guó)的航空航天工藝技術(shù)日趨嫻熟，改變了傳統(tǒng)的鉚接技術(shù)，節(jié)約了大筆制作資金，而且使用焊接更大限度地保證構(gòu)件的質(zhì)量，還能從整體上使其變得更加方便、輕盈。同時(shí)，由于對(duì)輕合金領(lǐng)域的葛洪探索，并聯(lián)系焊接技術(shù)進(jìn)行廣泛研究，航空航天領(lǐng)域的焊接工藝得到進(jìn)一步的發(fā)展。憑借可靠、安全、穩(wěn)定的輕合金焊接件，有利于飛行器實(shí)現(xiàn)有效負(fù)荷，提高生產(chǎn)效率。

1.可焊性鋁鋰合金的研究進(jìn)展

在液體運(yùn)載火箭、飛行器、儀器艙、導(dǎo)彈艙單等領(lǐng)域，鋁鋰合金發(fā)揮重十分重要的功效。并且，由于高比強(qiáng)度、低密度、彈性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，鋁鋰合金擔(dān)任生產(chǎn)承受軸的結(jié)構(gòu)件，幫助壓縮負(fù)載和抵擋破壞力。另一方面，憑借重量輕的優(yōu)點(diǎn)，航空航天的飛行器結(jié)構(gòu)件不再采用傳統(tǒng)意義上的鋁合金，而是廣泛地使用鋁鋰合金。同時(shí)，焊接的工藝更是將鋁鋰合金在航空航天上的功效發(fā)揮到極致，有利于導(dǎo)彈彈頭殼的強(qiáng)度和剛度，更有利于保證火箭推進(jìn)劑的穩(wěn)定。事實(shí)上，早在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)開(kāi)展對(duì)鋁鋰合金的研究，比如美國(guó)的Weldalite 049系列合金，就是十分先進(jìn)、高強(qiáng)度的焊接工藝。20世紀(jì)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(jìn)一步的延伸，將1450Al-Li合金升級(jí)為1460Al-Cu-Li-Mg-Zr-Sc 系合金，強(qiáng)度和性能有了更大的提升。

2.輕合金焊接工藝及其應(yīng)用

2.1 熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）

在保證焊接熔池、焊接高溫金屬、金屬熔滴等方面，GMAW的成本并不高，主要是一種電弧焊方法來(lái)充當(dāng)電弧介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)焊接工藝的嚴(yán)格質(zhì)量。作為全球使用率最高的焊接技術(shù)，GMAW頻繁亮相在火箭的燃料貯箱內(nèi)的焊接構(gòu)件上。并且，在愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈的弾翼上，GMAW能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接功能，保證得到精密鑄造的17-4PH不銹鋼翼成功制作穩(wěn)定安全的板材。

2.2 鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）

不同于GMAW的低成本，GTAW必須有充足、強(qiáng)大的熱源才能實(shí)現(xiàn)焊接，否則，若是采取相同的熱源和資金，GTAW的焊接技術(shù)強(qiáng)度也會(huì)失去一定效果。并且，在焊接6mm以下的飛機(jī)管路系統(tǒng)、魚鱗門、不銹鋼、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器核心等構(gòu)件上，GTAW的作用更加突出。在土星V 火箭的燃料貯箱，單單通過(guò)GMAW無(wú)法成功實(shí)現(xiàn)焊接變形，必須發(fā)揮GTAW的功能，才能制作出精湛工藝的產(chǎn)品。

2.3 可變極性等離子弧焊（VPPA）

VPPA廣泛使用在中厚度的鋁合金材料上，特別是航空航天中的外油箱厚截面型材的焊接。從原理上來(lái)說(shuō)，VPPA的正負(fù)兩極部分發(fā)揮不同的功效，正極主要是幫助熔融金屬，并能實(shí)現(xiàn)穿透，負(fù)極主要是對(duì)型材進(jìn)行陰極鈍化，數(shù)值控制也有規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)：正極電流2～5ms，負(fù)極電流比正極電流要低40-80A。另一方面，在進(jìn)行外油箱焊接時(shí)，馬丁公司的科研人員發(fā)現(xiàn)使用VPPA焊接工藝的質(zhì)量，明顯高于GTAW，而且還能一定程度上節(jié)約焊接費(fèi)用。

2.4 電子束焊（EBW）

從強(qiáng)度上來(lái)說(shuō)，EBW的焊接工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GTAW。早在1956年，EBW就被發(fā)現(xiàn)在焊接8mm以上的中厚板時(shí)，不僅效率高，而且質(zhì)量好。唯一不足的是在進(jìn)行EBW操作時(shí)，需要嚴(yán)格于真空環(huán)境中進(jìn)行，這就導(dǎo)致設(shè)備的費(fèi)用較高，而且焊件的尺寸大小也容易受到空間的局限。在軍用飛機(jī)上，很多型材都是采用比強(qiáng)度、高性能、比模量的鈦合金材質(zhì)，但鈦合金的性質(zhì)十分不穩(wěn)定，非常容易在空氣中氧化，所以真空環(huán)境下的EBW就發(fā)揮了作用。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，EBW焊接就被美國(guó)的麥道公司開(kāi)始使用在F15戰(zhàn)機(jī)的機(jī)翼和機(jī)尾結(jié)構(gòu)上，隨后，F(xiàn)14、F22、颶風(fēng)等都通過(guò)EBW進(jìn)行焊接變截面構(gòu)件、機(jī)身、尾翼等結(jié)構(gòu)上。此外，俄羅斯能源號(hào)的火箭貯箱面積很大，需要通過(guò)EBW進(jìn)行真空焊接，使用電子束將介質(zhì)液體實(shí)施密封，最終順利焊接成1460Al-Li合金。所以，能源號(hào)火箭才成功將暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)運(yùn)載升空。

2.5 攪拌摩擦焊（FSW）

在1991年，英國(guó)發(fā)明了一種固態(tài)焊接技術(shù)——FSW，能夠成功將變形的機(jī)械進(jìn)行金屬焊接。事實(shí)上，F(xiàn)SW主要是繼承原有的焊接技術(shù)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)可控制的旋轉(zhuǎn)，將焊接部位升溫發(fā)熱變形后才進(jìn)行焊接。因此，F(xiàn)SW最大的特征是接頭沒(méi)有裂紋、氣孔，更不會(huì)存在雜質(zhì)，就能在不飛濺金屬液體的情況下，進(jìn)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，也可以輕松聯(lián)接。此外，F(xiàn)SW的焊接強(qiáng)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(xì)，能實(shí)現(xiàn)1.2～55mm的構(gòu)件焊接。

2.6 超塑成形/擴(kuò)散連接（SPF/DB）

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

3.前景展望

從資金和構(gòu)件改造來(lái)說(shuō)，焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，有利于保證構(gòu)件的質(zhì)量和性能，又能節(jié)約生產(chǎn)和制作費(fèi)用。所以，重視焊接技術(shù)的研發(fā)刻不容緩，需要將其和如火如荼的航空航天事業(yè)結(jié)合起來(lái)，保證軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的性能。除此之外，國(guó)家更應(yīng)該發(fā)揮鈦合金、鋁鋰合金的焊接技術(shù)，才能在國(guó)際航空航天市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持有利的地位。

參考文獻(xiàn)

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