我國現(xiàn)代運載工具制造工程中的特種焊接技術.

1、我國現(xiàn)代運載工具制造工程中的特種焊接技術北京航空制造工程研究所 關 橋焊接/連接技術在 20 世紀的后半葉，已發(fā)展成為金屬材料加工制造業(yè)中 的一個重要專業(yè)學科。鋼鐵材料在大型工程結(jié)構(gòu)中應用面的擴大和新產(chǎn)品日新 月異的發(fā)展對焊接 /連接科學與技術提出許多難題； 40年前, 中國焊接學會的成 立,為引導學科發(fā)展 ,繁榮焊接科技 ,促進國民 >' target='_blank' class='infotextkey'> 經(jīng)濟發(fā)展 , 作出了積極的貢獻 . 。然而，新世紀伊始，面 對新材料、新結(jié)構(gòu)突飛猛進的發(fā)展勢頭，焊接 / 連接科技又面臨新的挑戰(zhàn)；

2、甚 至，在一定程度上制約著高新科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如果說，在過去的50 年間，機械制造業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)量大、面廣的生產(chǎn)是對高效、低成本焊接技術（焊接材料、 方法及設備）的主要牽引力的話；在今后的 50 年間，以高新科技產(chǎn)品和現(xiàn)代運 載工具為代表的前沿工程科技 , 正在呼喚特種焊接 / 連接科技的新突破。1 現(xiàn)代運載工具結(jié)構(gòu)和材料的發(fā)展對焊接 / 連接技術的牽引圖 1 給出了從水下到太空范圍人類用以克服距離、探索自然的運載 工具。這些運載工具發(fā)展的共同技術特點是更快、更輕、更強（在特定的環(huán)境 條件下滿足更高、更遠、更深的技術要求）。任何一個運載工具都由兩個主體組成：其一是運載器主體結(jié)構(gòu)，其二是 動力裝置。

3、為了實現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)更強和速度更快的技術目標，在承載結(jié)構(gòu)減輕自 重的設計選材時，除金屬結(jié)構(gòu)材料中鋼、鋁合金、鈦合金外，正在方興未艾發(fā) 展的復合材料和非金屬材料也都在優(yōu)選之列。為了滿足運載工具的高性能動力 裝置的技術要求，如核動力裝置或噴氣發(fā)動機動力裝置的超常規(guī)參數(shù)運行指 標，又必須采用耐高溫超級合金材料、陶瓷材料或性能優(yōu)異的復合材料（金屬 基或陶瓷基）等。可見，無論是深潛器、飛機還是運載火箭、空間站，新結(jié)構(gòu) 和新材料的采用都對焊接 / 連接技術與科學的發(fā)展提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。以電子束 焊接技術的發(fā)展為例， 50 年前，為了發(fā)展核動力裝置，最先把高能量密度的電 子束焊接方法應用于薄壁核燃料棒的封接制造

4、；當今，正在把電子束焊接技術 （或攪拌摩擦焊技術）應用于防止核廢料污染的厚壁銅容器的封接 ; 在技術要求 上同樣都是高可靠性的連接。電子束焊接在實現(xiàn)深潛器厚壁鈦合金球形容器的 焊接方面，仍具有無可替代的優(yōu)勢。在用于太空探索空間站建造與維修方面 , 電 子束焊接與釬焊也已有獨到的成功應用。在飛行器的結(jié)構(gòu)設計與制造工程中，焊接 / 連接技術的發(fā)展是與飛行器 及其動力裝置高性能技術指標所決定的選材直接相關。圖 2 所示為殲擊機結(jié)構(gòu) 材料變化的對比 1-5 ；與 SU-27 和 F-15 相比，復合材料（樹脂基纖維增強） 和鈦合金的應用比例在 F-22 上擴大了許多；由此，對焊接 / 連接技術的牽引有

5、 了新的方向。飛機鈦合金重要承力構(gòu)件的電子束焊接和特種氬弧焊技術（穿透 焊、潛弧焊等）對于飛行器新型結(jié)構(gòu)的設計作出了貢獻 3,5 ；高強鋁合金在飛 機結(jié)構(gòu)上的擴大采用還有待攪拌摩擦焊所具有的技術潛力的發(fā)揮。作為高性能 動力裝置的噴氣發(fā)動機，高溫部件的焊接 / 連接往往決定著結(jié)構(gòu)的可靠性與壽 命；超常規(guī)高參數(shù)的運行需要用新的技術和特種方法來實現(xiàn)諸如單晶葉片、金 屬間化合物、金屬基復合材料、陶瓷復合材料、層板氣膜冷卻結(jié)構(gòu)和異種材料 的焊接/ 連接1,4 。特種焊接技術 ?作為實現(xiàn)運載工具的新結(jié)構(gòu)設計構(gòu)思和新材料選用不 可或缺的技術保障，可明顯地減輕結(jié)構(gòu)重量，降低成本，提高性能，延長壽 命，和賦予運

6、載工具以高可靠性和全壽命周期的可維修性；同時，在提高貴重 材料的有效利用率方面（從 2-3%到 70-80%）具有獨特的優(yōu)勢 1 。當前，焊接 / 連接技術對結(jié)構(gòu)造成的不完整性損傷，正在制約著高新技術的發(fā)展；強勁的需 求牽引要求焊接 / 連接技術有新的突破與創(chuàng)新。2 特種焊接技術的進展2.1 焊接/ 連接技術在制造業(yè)中的地位自從火焰和電弧發(fā)展成為連接金屬材料的焊接熱源后，經(jīng)歷了百年的發(fā) 展與進步，尤其在二次世界大戰(zhàn)后的 50多年間，有了長足進步；焊接 / 連接技 術已成為制造業(yè)中的關鍵專業(yè)學科 , 形成了行業(yè)體系。例如 ,在飛行器制造工程 中，50 年前，機械連接（螺栓、鉚接）占有主導地位；在

7、技術進步過程中，焊 接技術的比例逐漸擴大 （見圖 3） ；在噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)連接技術中，焊接占有了 主導地位；而在飛機結(jié)構(gòu)的連接中，目前，焊接還不占優(yōu)勢；但其發(fā)展趨勢是 明顯的, 焊接的應用范圍在不斷地擴大 1 。在過去的 50 年間，特種焊接技術與我國飛行器制造技術同步發(fā)展 ; 在各 種常用焊接方法中 , 特種焊接技術 （ 高能束焊、固態(tài)焊、釬焊等 ）所占的比例也在 發(fā)生著變化，其應用面正在擴大 ,見圖 4。從圖 4 的變遷示意中還可以看出 , 在熔焊方法中，氣焊的比例減小明 顯，弧焊仍然是主角，而高能束流焊接技術（電子束、激光束、等離子體）的 比重在不斷增大。電阻焊技術，由于多以搭接的接頭形

8、式應用于結(jié)構(gòu)，不利于 減輕結(jié)構(gòu)自重，在承力部位的應力集中又影響其抗疲勞性能；因此，在飛行器 的結(jié)構(gòu)設計中逐步縮小了其應用范圍。固態(tài)焊（擴散焊、超塑成形 / 擴散連接、 摩擦焊）則以其獨具的優(yōu)勢，在高科技產(chǎn)品迅猛發(fā)展的年代，顯現(xiàn)出蓬勃生 機；同樣，釬焊（含擴散釬焊）技術，由于對基體材料不會造成像熔焊所帶來 的損傷，在一些新型材料、非金屬材料接頭的連接中，另辟蹊徑。2.2 高能束流焊接與材料加工激光束、電子束所具有的微焦點與散焦加熱、高能量密度、高速加熱、 深穿透、高速冷卻、可精密控制、高速掃描、全方位加工等技術特點，正在材 料加工領域中得以充分發(fā)揮和開發(fā)利用。除已應用于焊接、打孔、切割、表面 改

9、性、涂覆和精細加工外，在新材料的制備（如功能材料、納米材料、非晶材 料）與快速成形和超精細加工技術中的應用，還大有可為；尤其當大功率的 YAG激光與二極管激光和準分子激光工程化應用后，對材料與束流交互作用機 理的深入科學研究，將會引導學科發(fā)展、創(chuàng)新 6 。在厚板結(jié)構(gòu)的焊接中，電子束與激光束相比，電子束在深穿透的能力方 面，仍占優(yōu)勢。在太空條件下的電子束焊接技術，可望在不久的將來成為我國 載人航天建造空間站的首選。大功率C02激光深穿透焊接受到諸多因素的影響，其中光致等離子體的 屏蔽效應隨著焊接線能量的增大而更加顯著。圖 5 所示為在不銹鋼板上，用 C02激光束施焊時，能量傳輸效率（激光器輸出能

10、量與形成焊縫的能量之比）與 焊接線能量的關系的實驗測定結(jié)果 7 。當線能量大于 4.5kJ/cm 后，能量傳輸 效率穩(wěn)定在 60%；光致等離子體的屏蔽作用阻礙著能量傳輸效率的提高。高能束流聚焦后可獲得深寬比大的焊縫，這雖是優(yōu)點，但在眾多實際工 程應用中，又有局限性 , 如對壁板結(jié)構(gòu)的對接焊縫裝配精度要求較高，制約其應 用面的擴大。近年來，研究并開發(fā)的激光束與 MIG焊相結(jié)合的復合熱源焊接 法，不失為一種對板件對接裝配間隙容限放寬的合理解決方案；因此，在艦 船、汽車制造業(yè)中很快找到了工程應用技術市場。值得關注的是激光束在其它材料加工領域的發(fā)展，如把快速原形制造技 術擴展為飛行器鈦合金帶筋壁板近凈

11、毛坯的成形方法（在預彎曲成形的厚板上 用RPM方法添加金屬粉末堆焊起筋條再精加工）,是一項技術上的創(chuàng)新8。在技術科學領域中的創(chuàng)新，源于對求解難題物理現(xiàn)象本質(zhì)的充分認知， 捕捉并駕馭矛盾的主要方面，再應用于工程實踐。在高能束流焊接與加工領域 中，對熱源與材料的交互作用機理的探索就孕育著諸多的創(chuàng)新和對前人未能解 決難題的突破。例如，等離子弧焊接在 40 年的發(fā)展中，由于“小孔行為”的不 穩(wěn)定性，制約了它在工程結(jié)構(gòu)制造中的擴大應用；雖然有過諸多傳感與控制技 術的研究開發(fā)，終未能如愿以償。近期，在對“小孔行為”物理本質(zhì)的深入觀 察與光譜信息檢測基礎上，捕捉了等離子弧光特征譜線強度和弧尾翼翹擺與小 孔行

12、為的定量關系，見圖 6; 發(fā)明了正面弧光傳感器技術，用于等離子弧焊縫 成形的閉環(huán)控制 9 ，可望對等離子弧焊技術穩(wěn)定、可靠的工程應用能有所突 破。2.3 固態(tài)焊接在眾多固態(tài)焊接方法中，當代高新技術和現(xiàn)代運載工具的發(fā)展促成擴散 焊、摩擦焊技術有所創(chuàng)新；其根本性的優(yōu)點在于焊接 / 連接接頭區(qū)排除了熔焊的 枝狀鑄造組織、缺陷，從而使接頭區(qū)的力學性能可接近于母材。熔焊對材料的 損傷，顯然有悖于新型材料朝著超純、超細、超精的方向發(fā)展 ; 然而，固態(tài)焊 接技術的創(chuàng)新，將會有助于新型材料的功能在工程結(jié)構(gòu)上的發(fā)揮。超塑成形/擴散連接（SPF/DB技術在航空、航天結(jié)構(gòu)上的日益擴大應 用, 正是適應了鈦合金薄壁整

13、體結(jié)構(gòu)設計的新構(gòu)思 , 使成形與連接一體化。擴散焊（含擴散釬焊或稱TLP連接）為非金屬、陶瓷、單晶金屬材料、 金屬間化合物和金屬基復合材料的連接（自擴散或加中間過渡層、梯度材料形 成接頭）提供了必要條件；但對界面反應、界面擴散接合的機制研究乃是保障 界面高質(zhì)量結(jié)合的前提。復合材料增強體和基體之間、以及復合材料與金屬之間的力學特性和物 理化學特性的差異，是這些新型材料難以可靠地連接并制約其工程實用的關 鍵。研究人員正在努力開發(fā)新的 TLP方法,例如，采用銅為中間過渡層，可實現(xiàn) SiC顆粒增強鋁基復合材料與LF12和LF6鋁合金的TLP擴散連接10。對于金 屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料 Ni3Al 用于

14、定向凝固的噴氣發(fā)動機渦輪導向葉片，采 用TLP連接技術，關鍵在于中間層合金的優(yōu)選：以母材成分（Ni-AI-Mo ）為基礎，加入抗氧化元素Cr、降熔元素B和提高丫？?穩(wěn)定性元素Co是解決方案之一11 。攪拌摩擦焊（FSW從發(fā)明到大面積地在鋁合金結(jié)構(gòu)上的工程應用，僅 有10年時間，這在焊接技術發(fā)展史上是空前的；充分展示了新技術的生命力在 于其創(chuàng)新性與工程實踐中的難題求解所形成的合力。在工程科技領域中的創(chuàng)新 源于實踐，F(xiàn)SW就是一個例證。英國焊接研究所的科研人員，幾十年堅持不 懈，在摩擦焊領域得心應手地開發(fā)了線性摩擦焊（用于航空噴氣發(fā)動機葉盤的 焊接）、軌道摩擦焊、摩擦堆焊等項新技術，均得到了工程應

15、用。而攪拌摩擦 焊作為一項發(fā)明專利，在焊接科技發(fā)展史上具有里程碑意義 , 其技 術 >'http:/www.I target='_bIank' cIass='infotextkey'> 經(jīng)濟價值首先體現(xiàn)在工程結(jié)構(gòu)上的應用。鋁合金結(jié)構(gòu)的 氬弧焊已有半個多世紀的發(fā)展，但焊縫中的氣孔、裂紋等缺陷、熔焊的鑄造組 織以及熱影響區(qū)的失強等一直是困擾科技界的難題，始終未能徹底解決。而 FSW在技術上的突破，是把這種固態(tài)焊接方法巧妙而簡單地應用于板件的對接 連接，見圖7,根除了熔焊的缺點。FSW勺技 術 >'http:/www.I target

16、='_bIank' cIass='infotextkey'> 經(jīng)濟優(yōu)勢已展示在鋁合金快艇結(jié)構(gòu)和運載火箭鋁合金燃 料貯箱、高速列車鋁合金車廂等現(xiàn)代運載工具主體結(jié)構(gòu)的制造上 12 。在成功 的工程應用的基礎上，F(xiàn)SW勺技術基礎研究工作正方興未艾地興起。作為固態(tài)焊接的方法之一，電磁脈沖（MPW焊接法近年來又有了較快 的發(fā)展和應用，其連接機理介于爆炸焊和超聲焊接之間，利用大電流脈沖放 電，在導電工件中感應渦流，產(chǎn)生瞬間強磁脈沖力，使工件產(chǎn)生高速塑性流變，實現(xiàn)連接。這種特種連接方法可望在管接頭與異種材料的連接中擴大應 用。2.4 氣體保護焊為了迎接新千年和新世紀的到

17、來，在過去的 10 年間，國內(nèi)外的焊接科 技界對氣體保護焊技術的發(fā)展前景，已給出了眾多展望。作為一項常規(guī)焊接技 術的創(chuàng)新發(fā)展，同樣在現(xiàn)代運載工具結(jié)構(gòu)制造中會占有重要地位。氣體保護焊（鎢極和熔化極氣體保護焊）技術無論是在其工藝適應性方 面還是其過程的自動化（計算機系統(tǒng)）控制方面均有了長足的進步，這在很大 程度上應歸功于焊接電源的技術進步，逆變電源實現(xiàn)了對傳統(tǒng)焊接電源的跨躍 式發(fā)展；在此基礎上正在推進的數(shù)碼焊接電源可望進一步對氣體保護焊的工藝 性有所提高、改善。把常規(guī)的鎢極氬弧焊用于稍厚板件的對接 , 電弧的穿透能力顯弱，而采 用活性劑的A-T1G焊接方法，可克服上述缺點，擴大應用范圍。空心陰極真

18、空電弧熱源是一種具有良好柔性的焊接和釬焊熱源，大電流 時電弧收縮可用于焊接，小電流時電弧發(fā)散，可用于真空條件下的局部加熱釬 焊；適用于渦輪葉片的修復釬焊或鈦合金壓力容器的焊接。在前蘇聯(lián) , 這種方法 曾作為太空焊接候選方案之一。熔化極氣體保護焊（采用實心或藥芯焊絲）仍然是機械制造行業(yè)和大型 工程結(jié)構(gòu)制造中的主導焊接方法。在過去 50 年間這項技術為我國焊接科技事業(yè) 發(fā)展作出了貢獻，如在作為現(xiàn)代運載工具之一的船舶制造行業(yè)中，采用C02氣體保護焊，在過去的 20 年間，實現(xiàn)了造船行業(yè)制造技術的高效、低成本跨躍式 技術改造，焊接自動化程度大幅提高，造船產(chǎn)量亦躍居世界前列。2.5 計算機技術與自動化用

19、 IT 帶動傳統(tǒng)制造業(yè)的改造與提升，已成共識。在特種焊接技術與科學的發(fā)展中，計算機技術的應用業(yè)已展現(xiàn)了巨大的技術 >' target='_blank' class='infotextkey'> 經(jīng)濟效益與良好前景 ; 在今后的技術創(chuàng)新與開發(fā)中 , 仍需 把握三個主要方面的問題是：a）在制造過程控制與自動化中，以研制工程適用的傳感器為基礎 , 研究開發(fā)智 能化的新技術與裝備；b）在焊接過程分析、計算中，正確的物理數(shù)學模型的建立與驗證，物理模擬與 數(shù)值模擬并舉；c）焊接數(shù)據(jù)庫和工程 >' target='_blank'

20、; class='infotextkey'> 管理軟件的開發(fā)應借鑒國外，更要符 合國情。在實施焊接機械化與自動化時，“先進”并非都適用；注重與機器人工 作站和自動化系統(tǒng)相配套的工藝裝備、夾具和生產(chǎn)線整體的技術改造（如部件 裝配精度的提高，要求鈑金下料裝備同時配套改造等）。2.6 焊接結(jié)構(gòu)的完整性用新材料制成焊接結(jié)構(gòu)，焊接熱效應會引發(fā)結(jié)構(gòu)不完整性 , 即使采用特 種焊接技術,仍然還會有 3個方面的問題 :a）冶金不均勻性（母材、HAZ焊縫）b）幾何不完善性（變形、偏離設計容限）c）力學不連續(xù)性（應力集中、缺陷、損傷）焊接科技發(fā)展的歷程就是不斷解決這些難題 , 尋求最佳方案的

21、 >' target='_blank' class='infotextkey'> 歷史。為滿足現(xiàn)代運載工具更快、更輕、更強（更高、 更遠、更深）的技術目標，對焊接結(jié)構(gòu)完整性研究和技術開發(fā)越來越顯得重 要。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)服役全壽命周期的安全、可靠出發(fā)，從最終用戶提出的技術要 求，設計師們的構(gòu)思與選材開始，制造工程中的方法與技術的優(yōu)化和使用過程 中的維修與監(jiān)測，均應科學地引入斷裂力學判據(jù)、損傷容限準則，加強焊接力 學（裂紋力學、應力變形控制）研究。3 焊接/ 連接技術與科學面臨的挑戰(zhàn)回眸焊接科學與技術的發(fā)展 >' target='

22、;_blank' class='infotextkey'>歷史，可以清楚地看到 , 尋求解決焊接/ 連接科學制約新材料、新結(jié)構(gòu)應用的途徑 4 ，應從材料研制與焊接科技兩個 方面著手。例如：飛行器上全焊結(jié)構(gòu)的采用已日趨明顯 5 ，要迎接挑戰(zhàn)，必須 將材料和焊接科學與技術在發(fā)展中形成合力。3.1 新材料焊接性定義的演變以熔焊技術為基礎對材料焊接性的定義有局限性；用熔焊方法，焊接性差的材料，改用固態(tài)焊接方法，焊接性得以改善。3.2 先進材料性能的改善提高與優(yōu)化先進的材料并不意味著具有良好的加工性，高性能與良好加工性往往是 一對難以協(xié)調(diào)的矛盾；而矛盾的主要方面則是材料的研

23、制；在研制高性能材料 時，其加工性也應納入高性能的技術指標；焊接性差的材料，經(jīng)過改善與提高，性能得以優(yōu)化，又會賦予它以新的 良好加工性和焊接性；加工性（焊接性）作為新材料研制與開發(fā)的技術指標，必不可少，在材 料研制中就應提供系統(tǒng)的可加工性數(shù)據(jù)。3.3 新型結(jié)構(gòu)的選材 目標：新型結(jié)構(gòu)在全壽命周期的安全性與可靠性，及其可加工性； 老材料新用場，在新結(jié)構(gòu)中傳統(tǒng)材料又可發(fā)揮潛在的功能； 正確選材的基礎 ?四位一體的組合體制（結(jié)構(gòu)設計、材料選擇、 產(chǎn)品制造、最終用戶）。參考文獻1、關 橋，航空特種焊接技術的發(fā)展，北京航空工藝研究所40 周年論文集，19972、Bob Irving, Why aren 't airplanes welded Welding Journal, 1997 No13、a. r.勃拉圖辛等，飛機鈦合金結(jié)構(gòu)制造技術，北京航空工藝研