材料連接技術9

1、材料連接技術材料連接技術Materials Welding and Joining Techniques 趙興科趙興科課程編號：302706第三章第三章 典型行業(yè)中的連接技術典型行業(yè)中的連接技術3-1 航天航空行業(yè)航天航空行業(yè)3-2 汽車工業(yè)汽車工業(yè)3-3 造船業(yè)造船業(yè)3.1 航天航空中的連接技術航天航空中的連接技術行業(yè)的特點行業(yè)的特點行業(yè)中連接技術行業(yè)中連接技術典型零部件的連接典型零部件的連接一、航空航天行業(yè)特點一、航空航天行業(yè)特點 航空航天行業(yè)滿足了人類利用技術克服距離、探索自然的愿望。 F努力制造出更快、更輕、更強的各類飛行器。努力制造出更快、更輕、更強的各類飛行器。飛行器（飛機、運載火

2、箭、空間站等）通常包括兩大部分：主體結構和動力裝置。為了實現(xiàn)更快、更輕、更強更快、更輕、更強的技術目標，促進了新型材料、新型結構以及新型成型技術的發(fā)展。主體結構主體結構為減輕自重選用高比強度材料，除高強鋼、鋁合金、鈦合金等金屬材料外，復合材料和非金屬材料正得到越來越多的應用。動力裝置動力裝置為實現(xiàn)超常規(guī)運行則選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。F新結構、新材料對焊接/連接技術提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。在飛行器的結構設計與制造工程中，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。SU-27SU-27、F-15F-15與與F-22F-2

3、2飛機結構材料的變遷飛機結構材料的變遷 鋼、鋁用量減少；鈦、復合材料用量增加。焊接技術的突破和創(chuàng)新可以提升飛行器的性能，如：飛機鈦合金重要承力構件的電子束焊接和特種氬弧焊技術（穿透焊、潛弧焊等）對于飛行器新型結構的設計作出了貢獻；攪拌摩擦焊的發(fā)明極大促進高強鋁合金在飛機結構上的應用；陶瓷/金屬的優(yōu)質(zhì)連接可以提高噴氣發(fā)動機的動力、可靠性和壽命。飛行器制造工程中焊接技術的比例逐漸擴大；飛行器制造工程中焊接技術的比例逐漸擴大；發(fā)動機連接技術中焊接占有了主導地位。發(fā)動機連接技術中焊接占有了主導地位。 飛行器制造工程中的連接技術的變遷飛行器制造工程中的連接技術的變遷先進的焊接/連接技術已成為實現(xiàn)飛行器的

4、新結構設計構思和新材料選用不可或缺的技術保障。飛行器上焊接結構的采用已成發(fā)展趨勢，可顯著減輕結構重量，降低成本，提高性能，延長壽命。二、行業(yè)中的連接技術二、行業(yè)中的連接技術 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。過去過去機械制造業(yè)中鋼結構量大、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。今后今后以飛行器為代表的前沿工程科技，正在呼喚焊接/連接科技的新突破。先進的焊接/連接技術與飛行器制造技術同步發(fā)展。飛行器制造工程中各類焊接方法的變遷飛行器制造工程中各類焊接方法的變遷 熔焊方法中，弧焊占主導地位，氣焊的比例明顯減小，高能

5、束的比例不斷增大。電子束與激光束相比有更強的穿透能力，在厚板結構的焊接中占優(yōu)勢。在太空條件下的電子束焊接技術，可望今后成為我國載人航天建造空間站的首選。電阻焊搭接的接頭形式不利于減輕結構自重，應用范圍縮小。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，而顯現(xiàn)出蓬勃生機。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被優(yōu)先選用。在航空飛機、發(fā)動機的研制和生產(chǎn)中，焊接技術已經(jīng)成為主導工藝方法之一。先進的焊接技術不僅能減輕飛機、發(fā)動機的重量，而且還為航空飛機、發(fā)動機結構設計新構思提供技術支持，促進航空飛機、發(fā)動機性能的提高。1

6、國外航空飛機情況航空發(fā)動機航空發(fā)動機結構中廣泛采用了各種焊接技術。焊接結構件在噴氣發(fā)動機零部件總數(shù)中所占比例已超過50%，焊接的工作量已占發(fā)動機制造總工時的10%左右。蘇米格25機體結構機體結構的80%（結構重量）是焊接的，焊縫長達4000多米，焊點達到140萬個。米格27飛機大量采用了鈦合金材料和焊接技術（60多項發(fā)明創(chuàng)新），是其保證飛機性能和減重的決定性因素。機身整體油箱采用氬弧焊、電子束焊制造的，與鋁合金鉚接油箱相比，減重24%。在飛機結構中，機翼支承梁鈦合金中央翼翼盒、機翼盒形梁及整體壁板結構等重要的結構上均采用了焊接技術，機身前后梁采用了熱等靜壓鈦合金鑄件的電子束焊接結構。全焊接結構

7、的飛機，不僅可省掉重達幾噸的密封件，而且與鉚接相比，焊接過程更易于實現(xiàn)自動化。2 國內(nèi)航空飛機情況國產(chǎn)飛機圖譜國產(chǎn)飛機圖譜在過去的幾十年間，飛機制造廠焊接裝備較差，較少采用焊接結構設計。MD-82飛機僅導管采用感應釬焊、薄板采用TIG焊、電阻點、縫焊外，其余基本無焊接技術應用。 引進的米格27生產(chǎn)權，其機體的焊接組件部件近千件，涉及的零件近萬件，幾乎遍及整個飛機機體。通過建線及材料國產(chǎn)化階段的攻關，對俄羅斯的焊接技術逐漸熟悉掌握。采用電子束焊接承力框，不僅焊接接頭的質(zhì)量提高，而且免除反復機加工焊接熱處理的過程，明顯提高生產(chǎn)效率和降低成本。國內(nèi)發(fā)動機行業(yè)通過多個型號的實踐，焊接技術已取得較大的進

8、步，許多新工藝如電子束焊、線性摩擦焊、摩擦焊、自動氬弧焊、軌跡氬弧焊和弧焊機器人、超塑性成形/擴散連接、等離子弧焊及低應力無變形焊接技術等均得到了應用。但是國產(chǎn)材料成分及其狀態(tài)的控制以及焊接工藝及其流程尚待完善，以便為設計及制造的改進提供依據(jù)。大型寬弦風扇葉片是先進航空發(fā)動機典型部件之一，其發(fā)展過程與連接技術密不可分。三、典型零部件的焊接三、典型零部件的焊接1 大型寬弦風扇葉片第一代寬弦無凸臺的風扇葉片是上世紀80年代研制成功的面板/蜂窩夾芯組成的，用到鈦合金釬焊技術。第二代寬弦無凸臺風扇葉片為三層鈦合金超塑成形/擴散連接葉片。第三代寬弦無凸臺風扇葉片也是鈦合金超塑成形/擴散連接。另外，第三代

9、還有金屬基復合材料風扇葉片。葉背、葉盆面板用鈦合金(Ti-6Al-4V)熱軋板材，經(jīng)精鍛或等溫鍛成形；化銑除去污染層，并將面板腐蝕成設計要求的氣動外形和相應的內(nèi)腔；夾芯蜂窩塊用鈦合金箔板輥壓成波紋板，再用電阻焊焊接而成；然后將兩面板和夾芯蜂窩塊采用活性擴散焊將其焊成整體結構。葉片的外型面還要在數(shù)控銑床上精加工。第一代第一代第二代第二代以三角形桁架結構取代了蜂窩芯板，并采用三層板超塑成形/擴散連接組合成形工藝。中間芯板上按一定圖形噴涂止焊劑；將芯板與兩層面板用氬弧焊焊接縫邊(留有進氣口)；將焊好的三層板放入葉片型面的模具內(nèi)，通過充氣進行超塑成形，兩層面板在超塑狀態(tài)下進行拉伸和扭曲變形，中間芯板延

10、展變形，形成格形結構；取出葉片進行表面化銑，數(shù)控加工葉根、葉型邊緣，經(jīng)終檢后得到成品。第三代第三代機加工成帶肋的兩半片對稱的扁平葉身；在模具內(nèi)擴散連接成一體；超塑成形工藝使葉片成形。最后數(shù)控加工葉根、葉型邊緣，經(jīng)終檢后得到成品。連續(xù)碳化硅纖維增強的鈦基復合材料也用于制造發(fā)動機風扇葉片。這種用超塑成形/擴散連接工藝制成的重量輕、剛性好、耐撞擊破壞強度高、減重約14%。整體葉盤（Blisk）將葉片與輪盤制造（或焊接）成一體。無需加工榫頭、榫槽，盤的輪緣徑向高度及厚度和葉片原榫頭部位尺寸可大大減少，減重效果顯著（可減重50%，葉環(huán)結構Bling減重達100%）；消除了榫齒根部縫隙中的逸流損失；避免了

11、葉片和輪盤裝配不當造成的微動磨損、裂紋以及鎖片損壞帶來的故障；零件數(shù)大大減少，有利于裝配和平衡?？梢哉f整體葉盤是第四代噴氣發(fā)動機的典型新結構之一。整體葉環(huán)是第五代噴氣發(fā)動機的典型新結構之一。2 整體葉盤結構整體葉盤的坯料可以是整體的，通過數(shù)控銑削或利用電解加工的方法加工整體葉盤；也可以是分體式焊接結構。分體式焊接結構的優(yōu)點是：分體式焊接結構的優(yōu)點是：分體式焊接葉盤結構可以采用多種焊接方法，熔焊（如電子束焊）、擴散焊及線性磨擦焊等。葉片和盤可以是異種或不同狀態(tài)的材料，也可以采用不同質(zhì)量的材料，可以為空心結構，也可以是夾層結構；可以減輕對毛料制備工藝和設備的壓力，并有得于節(jié)約原材料和加工工時，提高

12、質(zhì)量。 傳統(tǒng)起落架選用低合金超高強度鋼整體鍛件結構加工工藝，零件外形加工后進行真空熱處理或可控氣氛熱處理，材料利用率只有12.5%-25.0%。采用焊接加工可以提高材料利用率和簡化工藝、工裝。真空電子束焊接技術已經(jīng)在起落架的主要受力構件獲得應用。3 飛機起落架4 膠接結構5 超大型鏡片3.5m Herschel Space TelescopeGoal to make a segmented, light-weighted, powered SiC mirror joined using brazing technology to overcome processing limitations

13、for monolithic large mirrors. High Specific Stiffness High Thermal stability High Purity Isotropic properties Homogeneous thermal properties Repeatable material properties High Corrosion resistance晶片材料為SiCSintered Silicon Carbide has:Brazeexhibitsflexurestrengthupto300MPaBrazejointistypically25umwideAt10umwide,strengthofjointcomparabletobaseSiCBrazeTechnologyDetails:1）加速焊接新方法、新工藝的應用研究，如激光雙光束填絲焊、攪拌摩擦焊、線性摩擦焊、活性劑-氣保護弧焊等。2）擴大電子束焊接技術的應用范圍，解決高強鈦合金、超高強鋼以及大厚度材料框和盒形梁等結構的焊接難題。3）常規(guī)焊接向數(shù)字化技術靠攏，提高自適應能力，完善各類低應力無變形焊接技術。4）加強鋁鋰合金、鋁鎂硅合金、高溫鈦合金、高強高韌鈦合金，以及超高強鋼的焊接性研究。航空焊接技術的幾個發(fā)展方向：航空焊接技術的幾個發(fā)展方向：5）掌