摩擦焊在航空領(lǐng)域的應用

周軍張春波杜淼趙玉珊姜子钘

(1.機械科學研究院哈爾濱焊接研究所，哈爾濱150028；2.中國焊接協(xié)會，哈爾濱150028)

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摩擦焊在航空領(lǐng)域的應用

周軍1張春波1杜淼2趙玉珊1姜子钘1

(1.機械科學研究院哈爾濱焊接研究所，哈爾濱150028；2.中國焊接協(xié)會，哈爾濱150028)

隨著民用和軍用飛機性能及使用要求不斷提高，航空零部件需要滿足結(jié)構(gòu)輕量化、高可靠性、長壽命、經(jīng)濟性好等要求。焊接技術(shù)作為航空工業(yè)不可或缺的材料加工技術(shù)，在航空零部件的研制與生產(chǎn)中，發(fā)揮著舉足輕重的作用。慣性摩擦焊、攪拌摩擦焊和線性摩擦焊作為典型的摩擦焊接工藝方法，憑借優(yōu)良的技術(shù)優(yōu)勢，在航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子組件、飛機結(jié)構(gòu)件、整體葉盤等航空零部件加工制造中得到成功應用。結(jié)果表明，隨著摩擦焊接技術(shù)的進步與發(fā)展，摩擦焊接技術(shù)將有效促進航空飛機減重，進一步提高航空飛機性能。

慣性摩擦焊攪拌摩擦焊線性摩擦焊航空飛機

0 序言

航空飛機是目前世界上最為復雜、技術(shù)含量最高的產(chǎn)品，航空零部件需滿足整體結(jié)構(gòu)輕量化、高可靠性、長壽命、經(jīng)濟性好等要求。航空工業(yè)的飛速發(fā)展，對航空零部件的制造方法和工藝水平提出了更高的技術(shù)要求。焊接技術(shù)作為航空工業(yè)中不可或缺的材料加工技術(shù)，在航空發(fā)動機、飛機結(jié)構(gòu)件等航空零部件的研制與生產(chǎn)中，發(fā)揮著舉足輕重的作用。在各種焊接工藝方法中，固相焊接方法憑借其技術(shù)優(yōu)勢，成為航空領(lǐng)域同質(zhì)材料/異質(zhì)材料制造成形的有效工藝方法[1]。

摩擦焊是利用摩擦熱能實現(xiàn)材料永久連接的固相焊接成形工藝方法。焊接工件通過相互摩擦產(chǎn)熱或在攪拌工具攪拌摩擦作用下實現(xiàn)摩擦生熱，焊接過程伴隨著強烈的金屬塑性流動現(xiàn)象，并在焊接壓力作用下形成焊縫。摩擦焊具有焊接質(zhì)量好、焊接效率高、焊接過程穩(wěn)定、適用于異質(zhì)材料及難焊材料焊接成型、綠色節(jié)能等優(yōu)點。摩擦焊接工藝方法憑借其優(yōu)良的技術(shù)優(yōu)勢，在航空零部件結(jié)構(gòu)整體化設計及制造中，發(fā)揮著越來越重要的作用[2]。

文中主要針對慣性摩擦焊、攪拌摩擦焊和線性摩擦焊三種典型摩擦焊接工藝方法，介紹摩擦焊在航空領(lǐng)域的研究和應用現(xiàn)狀。

1 慣性摩擦焊在航空領(lǐng)域的應用

1.1 概述

飛機發(fā)動機盤軸轉(zhuǎn)動部件在高溫、高速、復雜載荷工況條件下工作，選用的材料包括Ti-6Al-4V，Ti6246，Ti17，Ti6242等鈦合金和IN718，U720Li，RR1000，F(xiàn)GH96，Rene′88DT 等高溫合金、粉末合金，對盤與盤、盤與軸之間的連接提出了很高的要求。隨著先進焊接技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代先進航空發(fā)動機的盤軸類轉(zhuǎn)動件采用焊接式結(jié)構(gòu)已成為發(fā)展趨勢[3]。

慣性摩擦焊是摩擦焊接工藝方法的一種，依靠慣性輪存儲的動能轉(zhuǎn)化為摩擦焊接熱能實現(xiàn)材料固相連接，慣性摩擦焊接原理如圖1 所示。隨著慣性摩擦焊接技術(shù)的成熟與發(fā)展，慣性摩擦焊已經(jīng)成為現(xiàn)代先進航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)子組件制造的關(guān)鍵成型工序[4]。

1.2 國外慣性摩擦焊在航空領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀

慣性摩擦焊在國外先進航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件中已經(jīng)有比較成熟的應用，其中GE，R.R.，P&W，Lycoming 和MTU 等航空發(fā)動機生產(chǎn)商將慣性摩擦焊應用到發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動部件生產(chǎn)中，采用慣性摩擦焊接工藝進行連接的盤軸類轉(zhuǎn)動件主要包括航空發(fā)動機風扇盤組件、壓氣機盤/轂筒組件、渦輪盤/軸組件、航空齒輪、發(fā)動機風扇軸、四葉螺旋漿等零部件。

1.2.1 GE 公司慣性摩擦焊應用現(xiàn)狀

GE 公司于20 世紀60 年代中期開始開展航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子組件慣性摩擦焊技術(shù)研究工作，在20 世紀60 年代后期，慣性摩擦焊在GE 公司實現(xiàn)批產(chǎn)。目前，GE 公司的航空發(fā)動機重要轉(zhuǎn)動部件幾乎全部都采用慣性摩擦焊工藝方法進行焊接。GE 公司應用慣性摩擦焊接工藝方法生產(chǎn)的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子組件見表1。

1.2.2 R.R.公司慣性摩擦焊應用現(xiàn)狀

相對于GE 公司而言，R.R.公司開展慣性摩擦焊接工藝方法研究和應用較晚。隨著摩擦焊接技術(shù)的發(fā)展和航空材料的不斷進步，R.R.公司加快了慣性摩擦焊接技術(shù)研究的進度，慣性摩擦焊已經(jīng)成為Trent 型系列航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子組件的主要焊接成形方法。R.R.公司裝備了最大焊接力為2 000 t 的慣性摩擦焊設備，用于高壓壓氣機盤鼓組件焊接。R.R.公司采用慣性摩擦焊接工藝方法用于Trent1000 型航空發(fā)動機渦輪盤軸組件焊接，飛行試驗和商業(yè)運營證明，材料為IN718 鎳基高溫合金渦輪后短軸和RR1000 粉末高溫合金渦輪盤慣性摩擦焊接接頭滿足航空發(fā)動機設計指標要求。同時，R.R.公司已將IN718 與U720Li，IN718 與粉末高溫合金等異種材料的慣性摩擦焊列為航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子標準的材料成形工藝。

1.2.3 P&W公司慣性摩擦焊應用現(xiàn)狀

P&W 公司最初將慣性摩擦焊工藝方法應用于制造航空發(fā)動機低合金鋼齒輪，現(xiàn)在慣性摩擦焊技術(shù)已經(jīng)用于鈦合金壓氣機盤鼓與隔圈、直升機管梁與鍛造轂等關(guān)鍵轉(zhuǎn)動部件制造。

1.2.4 Lycoming 公司慣性摩擦焊應用現(xiàn)狀

慣性摩擦焊在Lycoming 公司同樣具有廣泛的應用。在型號為T55 發(fā)動機上，應用慣性摩擦焊接工藝方法焊接渦輪盤(材料為D-979 鎳基合金)和前驅(qū)動軸(材料為Timken17-22AS低合金鋼)以及渦輪盤(材料為D-979鎳基合金)和后軸(材料為D-979 鎳基合金)。

1.2.5 MTU 公司慣性摩擦焊應用現(xiàn)狀

MTU 公司應用慣性摩擦焊技術(shù)連接發(fā)動機軸和齒輪等轉(zhuǎn)動部件。

1.3 國內(nèi)慣性摩擦焊在航空領(lǐng)域的應用

國內(nèi)從“七五”期間開始，針對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件進行慣性摩擦焊接技術(shù)的研究。哈爾濱焊接研究所、中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所和西北工業(yè)大學等單位針對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子組件材料、工藝方法進行研究，其中410 廠通過引進國外慣性摩擦焊接設備，進行軍機發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件的制造。

2 攪拌摩擦焊在航空領(lǐng)域的應用

2.1 概述

在傳統(tǒng)的飛機結(jié)構(gòu)制造中，為了使飛機結(jié)構(gòu)具有良好的動載性能，保證飛機的安全性和使用壽命，主要采用鉚接和栓接兩種連接方式，很少采用焊接工藝方法進行連接。航空制造商為了應對航空市場激烈的競爭壓力，穩(wěn)定市場份額，迫切需要提高飛機的產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能，并降低制造成本。采用比強度較高的鋁合金材料和先進的制造技術(shù)成為關(guān)鍵解決措施[5]。攪拌摩擦焊接技術(shù)是英國焊接研究所于1991 年發(fā)明的一項固相焊接工藝方法，焊接過程原理如圖2 所示。與傳統(tǒng)融化焊工藝方法相比，攪拌摩擦焊技術(shù)具有焊接質(zhì)量好、制造成本低、焊接結(jié)構(gòu)重量輕等技術(shù)優(yōu)勢，成為飛機結(jié)構(gòu)制造關(guān)鍵替代性工藝方法。世界范圍的航空工業(yè)針對攪拌摩擦焊技術(shù)開展了廣泛的研究工作，促進攪拌摩擦焊接技術(shù)在飛機零部件制造中的應用，為飛機制造業(yè)提供一個根本性的變化[6]。

2.1.1 降低飛機制造成本

攪拌摩擦焊接工藝方法能夠有效降低輕型鋁合金結(jié)構(gòu)的制造成本，為飛機結(jié)構(gòu)件可靠連接提供關(guān)鍵技術(shù)支持。與鉚接工藝相比，攪拌摩擦焊接技術(shù)可實現(xiàn)飛機零部件優(yōu)質(zhì)、快速裝配，同時降低飛機重量。

2.1.2 提高飛機制造效率

采用攪拌摩擦焊接技術(shù)使飛機制造由原來的大件加工變?yōu)樾〖附樱稍瓉淼臋C械連接方式變?yōu)檎w成型結(jié)構(gòu)方式，有效提高了飛機制造裝配的效率。

2.1.3 提供新的飛機結(jié)構(gòu)設計可能性

攪拌摩擦焊技術(shù)為飛機結(jié)構(gòu)設計中新材料、新結(jié)構(gòu)的應用提供了更多的選擇性和可能性[7]。

國內(nèi)外眾多飛機制造公司、科研機構(gòu)針對飛機零部件焊接開展了攪拌摩擦焊應用研究，包括飛機機身的縱向、環(huán)向、預成形件的攪拌摩擦焊連接、飛機起落架傳動支承門、飛機方向翼板、飛機中心翼盒蓋板、飛機蒙皮制造、飛機機翼蒙皮結(jié)構(gòu)的修理、飛機地板攪拌摩擦焊以及新型商業(yè)飛機的攪拌摩擦焊[8-9]，飛機結(jié)構(gòu)件攪拌摩擦焊如圖3 所示。

2.2 國外攪拌摩擦焊在航空領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀

歐美眾多飛機制造廠商、科研機構(gòu)針對攪拌摩擦焊接工藝方法，通過開展飛機結(jié)構(gòu)的制造工藝、材料的焊接適應性和結(jié)構(gòu)的航空服役綜合性能相關(guān)的研究工作，將攪拌摩擦焊接工藝方法逐步引入到飛機結(jié)構(gòu)件制造中，相關(guān)研究項目如下：①宇航工業(yè)近期商業(yè)目標技術(shù)應用(簡稱TANGO 項目)；②飛機框架結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊(簡稱WAFS 項目)；③飛機框架結(jié)構(gòu)的短距離焊接概念(簡稱WEL-AIR 項目)；④低成本的飛機整體金屬結(jié)構(gòu)(簡稱COINS 項目)；⑤新結(jié)構(gòu)制造中創(chuàng)新方法的疲勞和損傷容限設計方法(簡稱DATO 項目)；⑥攪拌摩擦焊的復雜多物理模型(簡稱DEEPWELD 項目)[10]。

2.3 國內(nèi)攪拌摩擦焊在航空領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀

中航工業(yè)賽福斯特公司、航天設備制造廠等單位針對國內(nèi)航空領(lǐng)域多型飛機的鋁合金壁板結(jié)構(gòu)件，開展了廣泛研究工作。目前已經(jīng)成功實現(xiàn)了飛機機身結(jié)構(gòu)、油箱、口蓋、地板結(jié)構(gòu)、新型戰(zhàn)斗機艙體、機翼結(jié)構(gòu)和雷達冷板等部件的攪拌摩擦焊接，在攪拌摩擦焊工程應用方面取得很大成績。例如賽福斯特公司為國內(nèi)某飛機制造公司研發(fā)了航空鋁合金壁板專用攪拌摩擦焊設備用于飛機壁板結(jié)構(gòu)的整體化制造，為飛機壁板批量化提供了完美的焊接及定制加工方案。從運-20 大型運輸機樣機制造，到首飛成功，再到攪拌摩擦焊工藝對該機型批量化配套，“鯤鵬”走出了一條國內(nèi)自主創(chuàng)新研發(fā)大飛機的成功之路。

3 線性摩擦焊在航空領(lǐng)域的應用

3.1 概述

整體葉盤是新一代航空發(fā)動機實現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與技術(shù)跨越的核心部件，也是高效、低油耗航空發(fā)動機所要采用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。整體葉盤能夠極大簡化發(fā)動機整體結(jié)構(gòu)、提高發(fā)動機推重比和可靠性，目前該結(jié)構(gòu)已被廣泛應用于新一代航空發(fā)動機的風扇、壓氣機和渦輪轉(zhuǎn)子上[11]，整體葉盤應用實例見表2。

3.1. 線性摩擦焊在整體葉盤制造方面的應用

整體葉盤分為整體式和焊接式兩種結(jié)構(gòu)方式。整體式是采用5 坐標數(shù)控銑或電解加工機床將實體毛坯加工出整體葉盤, 這種加工制造方法成本高、周期長。焊接式整體葉盤是把復雜、加工困難的葉型改變成單個葉片的葉型加工，制造成本大幅度降低、生產(chǎn)周期縮短。為了保證整體葉盤的性能和可靠性，整體葉盤加工必須采用焊接質(zhì)量可靠的焊接工藝方法[12]。線性摩擦焊是摩擦焊接工藝方法的一種，在焊接壓力作用下依靠被焊工件之間直線往復相對運動進行摩擦產(chǎn)熱和焊接，線性摩擦焊接原理如圖4 所示。線性摩擦焊除了具有摩擦焊接優(yōu)質(zhì)、高效、綠色等優(yōu)點外，還能克服焊接工件形狀對慣性摩擦焊、連續(xù)驅(qū)動摩擦焊的限制，實現(xiàn)對非圓形構(gòu)件優(yōu)質(zhì)焊接。這種技術(shù)是解決先進航空發(fā)動機整體葉盤設計與制造的關(guān)鍵技術(shù)，成為異質(zhì)、空心、寬弦葉盤優(yōu)質(zhì)制造的核心解決方案[13]。

3.1.2 線性摩擦焊在整體葉盤修復方面的應用

整體葉盤工作條件惡劣，在工作中要承受很大的離心力、氣動力、振動應力和溫度應力等復雜載荷的作用，因此其失效概率相對較高，其中轉(zhuǎn)子葉片失效占發(fā)動機零部件的失效事件70%。因此，先進的修復技術(shù)成為延長整體葉盤壽命及修復后運行效能的關(guān)鍵所在。整體葉盤損傷的修復技術(shù)復雜，需要保證葉盤的尺寸精度和形狀位置精度、葉片的組織和性能。線性摩擦焊憑借其焊接接頭綜合力學性能好、焊接精度高的技術(shù)優(yōu)勢，成功應用于整體葉盤葉片斷裂修復或較大面積缺塊損傷的修復[14]。

3.2 國外線性摩擦焊在航空領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀

國外實踐表明，線性摩擦焊接技術(shù)是解決鈦合金寬弦風扇葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)制造的有效的方法。采用線性摩擦焊接工藝方法制造的整體葉盤，具有焊接接頭組織均勻、晶粒細小的金相組織特征，焊接接頭靜態(tài)和動態(tài)力學性能良好。R.R.公司和MTU 公司應用線性摩擦焊技術(shù)成功地制造了鈦合金寬弦風扇整體葉盤，并為歐洲戰(zhàn)斗機(Typhoon)計劃提供線性摩擦焊接的整體葉盤。在2000 年，R.R.公司和MTU 公司成功將線性摩擦焊應用于EJ200 的1-3 級風扇葉盤的加工，在2003 年，R.R.公司為F135 發(fā)動機生產(chǎn)并交付了第一個線性摩擦焊接風扇整體葉盤。

歐洲實施的DUTIFRISK(雙材料鈦合金摩擦焊接整體葉盤)項目，應用線性摩擦焊接技術(shù)實現(xiàn)異種材料整體葉盤制造。這項研究為開發(fā)更經(jīng)濟、高效的發(fā)動機提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。普惠公司為F-22研制的F119發(fā)動機中，全部風扇及高壓壓氣機轉(zhuǎn)子均采用了整體葉盤，普惠公司成功應用線性摩擦焊工藝方法將鈦合金空心葉片連接到第一級輪盤上。目前普惠公司已經(jīng)為F119發(fā)動機生產(chǎn)出生產(chǎn)型線性摩擦焊接的風扇整體葉盤。普惠公司應用線性摩擦焊完成F120的風扇葉盤焊接。GE公司和R.R.公司研制的JSF備用型F136發(fā)動機的3級葉片全部采用線性摩擦焊焊接的整體葉盤結(jié)構(gòu)；GE公司航空發(fā)動機部門也在探索將線性摩擦焊技術(shù)應用于航空發(fā)動機的維修中使用中[15-17]。

3.3 國內(nèi)線性摩擦焊在航空領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀

目前，北京航空制造工程研究所、西北工業(yè)大學、哈爾濱焊接研究所和山東大學等幾家科研單位對線性摩擦焊接技術(shù)開展了研究工作。其中北京航空制造工程研究所、西北工業(yè)大學和哈爾濱焊接研究所均開展了線性摩擦焊技術(shù)及裝備探索性研究工作，針對航空常用鈦合金、高溫合金等材料開展了同質(zhì)、異質(zhì)材料線性摩擦焊接工藝研究，為整體葉盤結(jié)構(gòu)線性摩擦焊制造技術(shù)研究奠定了很好的硬件條件。國內(nèi)航空部門已將整體葉盤結(jié)構(gòu)的線性摩擦焊技術(shù)列入航空制造技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的關(guān)鍵研究技術(shù)，這必將大大促進線性摩擦焊在國內(nèi)的發(fā)展與應用。

4 結(jié)論

摩擦焊接工藝方法憑借其優(yōu)良的技術(shù)優(yōu)勢，在航空工業(yè)制造領(lǐng)域發(fā)揮了舉足輕重的作用。隨著摩擦焊接技術(shù)的進步與發(fā)展，摩擦焊接技術(shù)將為航空飛機、發(fā)動機減重，為航空飛機、發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設計提供重要技術(shù)支持，促進航空飛機、發(fā)動機性能的提高。

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2017-03-22

國家自然科學基金資助項目﹙51475196﹚；機械科學研究院基金項目(201710202)。

TG453 TG456

周軍，1963 年出生，碩士，教授級高級工程師，博士研究生導師。主要從事摩擦焊工藝及裝備的研究，已發(fā)表論文30 多篇。