焊接技術(shù)在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用研究

摘 要：焊接技術(shù)是航空航天工業(yè)中一種重要的加工工藝，是制造技術(shù)的重要組成部分。文章中作者指出航空航天工業(yè)中常用的焊接技術(shù)包括電子束焊、激光焊、攪拌摩擦焊、線性摩擦焊和擴(kuò)散焊五種焊接技術(shù)，進(jìn)而以當(dāng)前應(yīng)用較多的電子束焊為例對焊接技術(shù)航空航天工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

關(guān)鍵詞：焊接技術(shù)；航空航天工業(yè)；應(yīng)用

焊接技術(shù)是鏈接技術(shù)中的一部分，是航空航天工業(yè)緊密器件制造中補(bǔ)課或缺的技術(shù)。在現(xiàn)代生產(chǎn)中，各種新型焊接技術(shù)的廣泛引用，極大地簡化了航空航天中各類構(gòu)件的加工，節(jié)省了生產(chǎn)材料，提升了生產(chǎn)效率。隨著焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，航天飛機(jī)的重量得到了堅(jiān)強(qiáng)，同時(shí)也為航天飛機(jī)及其器件的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，帶動(dòng)了航天飛機(jī)整體性能的提升。文章將對焊接技術(shù)在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用研究

1 航空航天工業(yè)常見焊接技術(shù)

1.1 電子束焊技術(shù)

在真空環(huán)境下，將高速電子流聚焦后對準(zhǔn)工件進(jìn)行縫接，而這時(shí)電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，將金屬工件熔合，這種焊接方法就稱為電子束焊（ EBW）。它也是一種高能束流加工技術(shù)，與其它焊接技術(shù)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：能量密度高、焊接深寬比大、變形小、精度高，還可以自動(dòng)控制等。電子焊接技術(shù)這些優(yōu)勢，使得它在航空、航天、電子、核工業(yè)等產(chǎn)業(yè)方面應(yīng)用廣泛。將電子束焊接技術(shù)運(yùn)用于航空制造業(yè)中，使得制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)更加精密，質(zhì)量更加先進(jìn)，也使得很多零件的減重設(shè)計(jì)、異種材料或者難以整體加工的零件材料的焊接得以實(shí)現(xiàn)。在航空航天產(chǎn)業(yè)方面，最重要的技術(shù)就是焊接零件具備高強(qiáng)度、低重量和穩(wěn)定性的特點(diǎn)，而電子束焊接恰好解決了這一問題。由此可見，在航天航空領(lǐng)域，電子束焊接已經(jīng)成為一項(xiàng)必不可少的技術(shù)。

1.2 激光焊技術(shù)

激光技術(shù)首先依靠偏光鏡反射裝置，將激光束聚焦在工件上，利用光束產(chǎn)生的巨大能量，瞬間就可以將工件熔化和蒸發(fā)，這種技術(shù)就是激光焊接。激光焊所需的裝置較為簡單，焊接時(shí)能量密度高、精確度高，工件變形小，而且可以焊接難熔零件等，這種技術(shù)在室溫或特殊條件下都可以進(jìn)行。在對飛機(jī)大蒙皮和附件進(jìn)行拼接時(shí)，經(jīng)常用到激光焊技術(shù)。早在1970年左右，美國就將激光焊技術(shù)運(yùn)用于航空航天工業(yè)中。他們制造了一臺(tái)15kW的CO2仿激光焊機(jī)弧光器，在生產(chǎn)飛機(jī)的各種零件和材料時(shí)運(yùn)用了激光焊技術(shù)，對其進(jìn)行焊接試驗(yàn)及提高工藝標(biāo)準(zhǔn)?？罩锌蛙嚬旧a(chǎn)的A340飛機(jī)，其零件中的全部鋁合金內(nèi)隔板都是利用激光焊接技術(shù)完成，使得機(jī)身重量有所，生產(chǎn)成本也得到降低。

1.3 攪拌摩擦焊技術(shù)

1991年，英國焊接研究所（英文簡稱為TWI），研發(fā)了一種新的固相連接技術(shù)，并將其命名為攪拌摩擦焊技術(shù)（英文簡稱為FSW）。該項(xiàng)技術(shù)是世界焊接技術(shù)發(fā)展史上研究歷史最短但傳播速度最快的焊接技術(shù)。它的工作原理是，通過一種非耗損的攪拌頭，使其高速旋轉(zhuǎn)，然后壓入待焊界面，經(jīng)過高速摩擦加熱被焊金屬界面從而產(chǎn)生熱塑性。最后，零件在壓力、推力和擠壓力的共同作用下形成致密的金屬間擴(kuò)散連接。該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是，焊接時(shí)無需材料、無飛濺、無需氣體保護(hù)、零件損傷小等，由此也被稱作當(dāng)代最具革命性的焊接技術(shù)。例如，波音公司在生產(chǎn)C-17和C-130運(yùn)輸機(jī)時(shí)，也利用該技術(shù)焊接地板來代替緊固件連接，使得地板結(jié)構(gòu)得到簡化，生產(chǎn)成本得到降低?？偠灾?，攪拌摩擦焊技術(shù)將在未來的工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮巨大的潛力。

1.4 擴(kuò)散焊技術(shù)

擴(kuò)散焊又稱擴(kuò)散連接，它是指在真空環(huán)境或者氣體保護(hù)下，對母材加熱至熔點(diǎn)以下，將兩個(gè)或多個(gè)零件表面施加壓力，使界面產(chǎn)生微觀塑性變形形成緊密接觸，保持某一溫度使原子在界面擴(kuò)散而，最終將零件連接到一起。使用該焊接方法，一次可焊接多個(gè)接頭，零件的接頭質(zhì)量好、形變小，而且焊后無需機(jī)加工。由于這些優(yōu)點(diǎn)，在直升飛機(jī)的鈦合金旋翼槳轂、夾層風(fēng)扇葉片、飛機(jī)大梁、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、渦輪葉片等零件的生產(chǎn)制造過程中，擴(kuò)散焊技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用。在航空航天領(lǐng)域，焊接技術(shù)已經(jīng)成為了必不可少的重要連接技術(shù)，該技術(shù)的運(yùn)用使得飛行器重量有所減輕，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量有所提高，所以大大推動(dòng)了航天航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)的提高。很顯然，我國航天航空工業(yè)在將來的發(fā)展中，離不開焊接技術(shù)。與此同時(shí)，該技術(shù)的運(yùn)用也會(huì)推動(dòng)航天航空工業(yè)的飛速發(fā)展。

2 焊接技術(shù)在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用—以電子束焊接技術(shù)為例

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的先進(jìn)焊接技術(shù)被研發(fā)出來，不僅可以有效地減輕航天航天結(jié)構(gòu)的重量，更可以通過提供先進(jìn)的技術(shù)支持，為航天航空飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能和整體性能的提升提供幫助。電子束焊接技術(shù)則是航空航天工業(yè)中普遍運(yùn)用的一種焊接技術(shù)。

2.1 電子束焊接在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室身部主要使用的是不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)和銅胎上電鑄金屬。但是，在進(jìn)行焊接時(shí)，由于受各自物理化學(xué)性能存在巨大差別，極大地增加了焊接難度，特別是在接頭處記憶產(chǎn)生雜質(zhì)。當(dāng)存在較大的焊接應(yīng)力時(shí)，接頭處容易出現(xiàn)開裂。同時(shí)，在高溫情況下，電鑄層容易出現(xiàn)削弱，甚至剝離。此外，在采用電子束焊接時(shí)，也會(huì)受到來自電鑄金屬層的磁性的影響。因此，在采用電子束焊接技術(shù)進(jìn)行焊接時(shí)，首先應(yīng)對電鑄金屬層進(jìn)行整體退磁，對電子束的路徑進(jìn)行磁場屏蔽處理。焊接時(shí)，主要采用高壓型電子束焊機(jī)對燃燒室進(jìn)行焊接。要盡量避免焊接時(shí)產(chǎn)生過多熱量，避免變形，并盡可能的降低接頭的應(yīng)力，防止易熔夾層的形成，避免應(yīng)高溫而出現(xiàn)的結(jié)合力降低的情況，可以有效地避免開裂情況的出現(xiàn)。

2.2 電子束焊接在波紋管組合件中的應(yīng)用

航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中波紋管組合件是其重要組件之一。同時(shí)，也是需要利用電子束焊接技術(shù)進(jìn)行焊接的重要部分。一般而言，多層金屬波紋管是航天發(fā)動(dòng)機(jī)的主要的動(dòng)密封原件。多層金屬波紋管作為動(dòng)密封原件的主要優(yōu)勢在于不會(huì)出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，相對比較靈活。為此，保證運(yùn)動(dòng)靈活與良好氣密性是波紋管組合件生產(chǎn)的關(guān)鍵所在，而這個(gè)環(huán)節(jié)需要通過焊接來實(shí)現(xiàn)。采用電子束焊接技術(shù)，可以有效地增強(qiáng)波紋管的接頭強(qiáng)度，從而在盡可能避免變形的同時(shí)，保證焊接的美觀和密封性。

2.3 電子束焊接在壓力容器中的應(yīng)用

在航空航天工業(yè)應(yīng)用中，壓力容器的主要用途在于對各種流體介質(zhì)進(jìn)行存儲(chǔ)。壓力容器質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到空間系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電子束焊接在制造高質(zhì)量壓力容器中具有主導(dǎo)作用。在推進(jìn)系統(tǒng)中，燃料儲(chǔ)箱與氣瓶是關(guān)鍵部件。根據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，壓力容器的多發(fā)故障主要集中在氣瓶焊縫處。因此，在進(jìn)行焊接時(shí)，氣瓶處焊接要求極高。采用電子束焊接時(shí)，可以通過單面焊雙面成形，從設(shè)備和工藝的角度控制焊縫內(nèi)外表面的咬邊缺陷的出現(xiàn)。此外，隨著近年來復(fù)核材料氣瓶逐漸增多，其由內(nèi)外兩層構(gòu)成。其中，內(nèi)層為金屬襯層，而外層的復(fù)合材料層。前者的作用在于氣密作用，而后者的復(fù)核材料則主要承擔(dān)大部分內(nèi)壓載荷。通過電子束焊接技術(shù)主要針對氣瓶中的內(nèi)層，即金屬內(nèi)襯進(jìn)行焊接，這部分的金屬一般采用鈦合金或鋁合金制作，因而相對比較薄。通過真空電子束可以更加精確的進(jìn)行焊接，避免氣孔缺陷。

3 結(jié)束語

焊接技術(shù)是航空航天領(lǐng)域的重要連接技術(shù)，它在促進(jìn)航空航天制造技術(shù)的發(fā)展、實(shí)現(xiàn)飛行器的減重、高效中發(fā)揮著越來越重要的作用。可以預(yù)見，我國航空航天工業(yè)在突飛猛進(jìn)的焊接技術(shù)的推動(dòng)下定將取得快速發(fā)展。我們相信，隨著技術(shù)焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國航空航天工業(yè)水平也將得到明顯的提升。

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作者簡介：張宏武（1971，1-），男，民族：漢，籍貫：湖南長沙，畢業(yè)于湖南理工學(xué)院，學(xué)歷：本科，一級實(shí)習(xí)指導(dǎo)師，現(xiàn)工作于湖南省工業(yè)技師學(xué)院，主要從事焊接技術(shù)應(yīng)用方面的教學(xué)研究。