民機先進連接制造技術概況

谷斌

摘 要 隨著航空制造業的快速發展，飛機先進材料和結構間的連接制造技術也正發生著日新月異的變化。文章簡要介紹幾種民機先進連接制造技術，并概述這些技術在波音、空客等國外先進飛機上的應用。

關鍵詞 攪拌摩擦焊；激光焊；膠接；電磁鉚接；自動鉆鉚

中圖分類號：V26 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0001-02

隨著現代科學技術的發展，航空制造業也發生了巨大的變化。特別是近十幾年來，隨著新材料、新結構和新的設計理念的不斷涌現，飛機先進的制造和設計技術在不斷創新和發展，民用飛機向新型的高性能、高輕型、高可靠性、高舒適型及長壽命和低成本的方向發展和更新。為了滿足現代飛機新型輕質合金、新型復合材料、夾芯材料及新型疊層板材料等結構材料的發展和廣泛應用的需求，飛機材料或結構的先進連接技術也備受研究者的關注，并得到了廣泛的研究和發展。飛機結構所承受的載荷主要通過連接部位進行傳遞，這樣連接部位就容易發生應力集中。據統計飛機機體疲勞失效事故的70%起因于結構連接部位，其中80%的疲勞裂紋發生于連接孔處，因此，連接質量極大地影響著飛機的壽命。針對不用連接材料或結構特點，采用恰當的連接方式具有非常重要的意義。

目前，國際上采用了多種先進的連接制造技術，這些技術的應用，提高了連接質量，降低了制造成本，提高了工作效率，減輕了結構重量等，具有一系列優點。

1 攪拌摩擦焊接技術

攪拌摩擦焊是一種新的固相焊接方法。焊接過程中，攪拌頭旋轉下壓走過工件結合處，由于攪拌頭與被焊接工件強烈持續摩擦，產生極高的熱量，使被焊接金屬材料在攪拌頭附近溫度升高并熱塑變形，隨著攪拌頭沿著焊接界面向前攪拌運動，熱塑化金屬杯攪拌頭向后移動，同時施加動態壓力，在熱塑變形和壓力共同作用下，將金屬材料焊接在一起，形成致密的焊接接縫。

傳統加工方法，飛機壁板和加強筋是鉚接一起的，攪拌摩擦焊技術可以代替傳統的鉚接，這樣，就避免了在壁板上鉆孔，增強了壁板的抗疲勞能力。同時，由于省去了鉚釘，既減輕了結構的重量又降低了材料成本。由于攪拌摩擦焊的諸多優點，國際上飛機制造公司如波音、空客、龐巴迪等已經成功將這種技術應用到飛機結構的連接和制造中，并繼續在開發適合飛機結構和材料的新型攪拌摩擦焊工藝方法。

攪拌摩擦焊技術特別適合于機身上平直加筋壁板和小曲率壁板中蒙皮和蒙皮的對接以及蒙皮和加強筋的連接，在大型民用飛機的機身蒙皮結構連接制造中，已經開始用攪拌摩擦焊技術代替傳統鉚接工藝，該技術已在空客A350-800和A350-900飛機中得到了應用。隨著飛機制造公司對該技術的掌握和進一步發展，攪拌摩擦焊技術可以應用到很多個飛機結構的連接制造中，如機身蒙皮的環向對接和框段之間的裝配連接制造、飛機中空夾層結構（如尾翼方向舵、副翼及襟翼等）封閉式結構的攪拌摩擦焊整體制造、飛機開口部位（如艙門、窗口、檢修和維護口蓋等）的加強可以通過攪拌摩擦焊技術實現無鉚接頭制造、飛機機翼結構中邊框和腹板的連接、飛機部分型材結構（如儀器艙地板及隔板、座艙背板、貨倉地板及斜臺地板等）的連接和制造。

2 激光焊接技術

激光焊接是將高強度的激光輻射到被焊接材料的連接處，激光照射到材料的表面施加能量，被焊接材料將吸收激光的能量轉化為熱能，使材料熔化交接在一起，然后冷卻結晶形成焊接。

激光焊接與其他焊接方法相比具有很多優點，焊接接觸面積小，焊接熱影響區金相變化范圍小，焊接的殘余應力小，工件變形小，可以實現高精度焊接，可用于大批量自動化生產的微、小型工件的組焊中；焊接不受距離限制，可以焊接難以接近的部位，實施非接觸的遠距離焊接，對于空間狹小不便操作的區域具有很高的靈活性，也可變換設備將激光束發送至多個工作站，進行自動化高速焊接；可以焊接難熔金屬，熱敏感性強的材料以及非金屬材料，比如鈦、石英、陶瓷及有機玻璃等。

在飛機制造中，激光焊接可用于蒙皮與長桁的連接，取代傳統的鉚接。焊接速度快于鉚接，且易于自動化操作，可以提高生產效率。由于省去了鉚釘、密封膠、墊板和止裂板，所以降低了制造成本，減輕了飛機結構重量。由于沒有鉚釘孔，沒有應力集中，所以提高了蒙皮的抗疲勞性能和耐腐蝕性能。激光焊接還可用于大塊蒙皮的對接，比如機身蒙皮的環向和縱向對接，焊接后的對接質量優良，沒有鉚釘頭和蒙皮搭接部分，外形光滑，保證了飛機更好的氣動外形。

激光焊接技術已應用于波音、空中客車等主要國際航空企業的飛機制造中，空客A380的機身壁板蒙皮與長桁的連接采用的是激光焊接，此項工藝的應用與傳統的鉚接工藝相比，節省制造成本大約20%，減輕重量大約10%，同時提高了抗腐蝕能力，縮短了生產周期。

飛機結構中其他一些薄壁零件，如燃油導管、液壓導管、環控導管等異形封閉零件，在連接制造中可以采用激光焊接。隨著鈦合金等新材料的大量使用，這些零件傳統的焊接，對于薄壁材料引起的焊接變形超出公差范圍，并且焊接缺陷無法修復。激光焊接殘余應力小，零件變形小，可以滿足質量要求。

3 自動化電磁鉚接技術

電磁鉚接（俄羅斯稱磁脈沖鉚接）是一種短時高速成形技術，鉚釘在很短時間（一般為200 μm左右）內完成塑性變形，釘桿的膨脹比較均勻，能在材料結構的表面形成比較均勻的干涉量，減少安裝損傷，形成長壽命、高可靠性的連接，有傳統鉚接方法無法比擬的技術優勢。可以用于各種材料鉚釘的鉚接成形。

電磁鉚接技術最初是手工的，波音公司在早期的機型如B727和B747等的機翼壁板上就采用了手工電磁鉚接技術進行裝配。20世紀90年代開始將該技術應用于自動化裝配上，并陸續用于波音B777、B767等機型的機翼壁板的自動化裝配上。2007年EI公司針對以復合材料為主體的B787飛機，結合自動化技術，通過技術攻關將電磁鉚接技術應用于復合材料結構上鐓鉚型鈦環槽釘的自動化安裝上，用于波音787復合材料機身段的自動化裝配。空客從20世紀90年代開始，也陸續開始將自動電磁鉚接技術應用到A320、A330、A340、A380等飛機的機翼壁板自動化裝配上及金屬結構鐓鉚型環槽鉚釘環圈的自動安裝上。2006年為了滿足A320機翼壁板生產的需求，配備了先進的機翼壁板自動化電磁鉚接柔性裝配系統。endprint

4 數字化自動鉆鉚技術

自動化鉆鉚的過程是由編制好的程序在數控機床上運行，一次性完成夾緊、鉆孔、锪窩、注膠、壓鉚、銑平等全部工序。

當今世界民用飛機市場競爭激烈，每家公司都在最求更高的安全使用壽命，以及更長的維護周期，這就要求更高的鉚接質量，自動鉆鉚技術消除了鉚釘孔的毛刺，從而提高了結構的抗疲勞性，采用機器設備鉆鉚保證了鉚接質量的穩定性，也提高了結構的防腐蝕能力。自動鉆鉚技術一般用于安裝工作量大、表面質量要求嚴、種類單一的緊固件和具有較好的開敞性的裝配件。

空客德國在機身蒙皮鉚接時采用自動鉆鉚系統和柔性裝配系統，脫機編程已經應用成熟，可直接與CATIA進行數據交換傳遞，實現數字自動化鉚接，其自動化鉚接水平世界領先，不僅保證了高級的鉚接質量，也大大地提高了生產效率。波音767機身的機鉚率為97%。隨著計算機技術的飛速發展，鉆鉚自動化已經從單臺數控鉆鉚機，向多臺自動鉆鉚機或鉆鉚裝置、鉚釘傳送裝置、托架、真空吸屑裝置、傳感控制裝置等組成的計算機集成控制的柔性自動裝配系統方向發展。

5 結束語

隨著民用飛機連接制造技術的不斷發展，使得飛機制造成本更低、制造周期更短且結構性能更高。因此，飛機在設計階段就應該考慮應用新的制造技術，最好能夠預見設計結束后可能能夠應用的最新制造技術，這些技術總的發展趨勢是向著飛機制造更精確、更經濟、更自動化和飛機飛行更環保、更安全的方向發展。

參考文獻

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