焊接技術在航空航天工業中的應用研究

摘 要：焊接技術是航空航天工業中一種重要的加工工藝，是制造技術的重要組成部分。文章中作者指出航空航天工業中常用的焊接技術包括電子束焊、激光焊、攪拌摩擦焊、線性摩擦焊和擴散焊五種焊接技術，進而以當前應用較多的電子束焊為例對焊接技術航空航天工業中的應用進行了詳細的探討。

關鍵詞：焊接技術；航空航天工業；應用

焊接技術是鏈接技術中的一部分，是航空航天工業緊密器件制造中補課或缺的技術。在現代生產中，各種新型焊接技術的廣泛引用，極大地簡化了航空航天中各類構件的加工，節省了生產材料，提升了生產效率。隨著焊接技術的不斷進步，航天飛機的重量得到了堅強，同時也為航天飛機及其器件的設計提供了技術支持，帶動了航天飛機整體性能的提升。文章將對焊接技術在航空航天工業中的應用研究

1 航空航天工業常見焊接技術

1.1 電子束焊技術

在真空環境下，將高速電子流聚焦后對準工件進行縫接，而這時電子束的動能轉化為熱能，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，與其它焊接技術相比具有很多優點，例如：能量密度高、焊接深寬比大、變形小、精度高，還可以自動控制等。電子焊接技術這些優勢，使得它在航空、航天、電子、核工業等產業方面應用廣泛。將電子束焊接技術運用于航空制造業中，使得制造飛機發動機更加精密，質量更加先進，也使得很多零件的減重設計、異種材料或者難以整體加工的零件材料的焊接得以實現。在航空航天產業方面，最重要的技術就是焊接零件具備高強度、低重量和穩定性的特點，而電子束焊接恰好解決了這一問題。由此可見，在航天航空領域，電子束焊接已經成為一項必不可少的技術。

1.2 激光焊技術

激光技術首先依靠偏光鏡反射裝置，將激光束聚焦在工件上，利用光束產生的巨大能量，瞬間就可以將工件熔化和蒸發，這種技術就是激光焊接。激光焊所需的裝置較為簡單，焊接時能量密度高、精確度高，工件變形小，而且可以焊接難熔零件等，這種技術在室溫或特殊條件下都可以進行。在對飛機大蒙皮和附件進行拼接時，經常用到激光焊技術。早在1970年左右，美國就將激光焊技術運用于航空航天工業中。他們制造了一臺15kW的CO2仿激光焊機弧光器，在生產飛機的各種零件和材料時運用了激光焊技術，對其進行焊接試驗及提高工藝標準。空中客車公司生產的A340飛機，其零件中的全部鋁合金內隔板都是利用激光焊接技術完成，使得機身重量有所，生產成本也得到降低。

1.3 攪拌摩擦焊技術

1991年，英國焊接研究所（英文簡稱為TWI），研發了一種新的固相連接技術，并將其命名為攪拌摩擦焊技術（英文簡稱為FSW）。該項技術是世界焊接技術發展史上研究歷史最短但傳播速度最快的焊接技術。它的工作原理是，通過一種非耗損的攪拌頭，使其高速旋轉，然后壓入待焊界面，經過高速摩擦加熱被焊金屬界面從而產生熱塑性。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散連接。該項技術的特點是，焊接時無需材料、無飛濺、無需氣體保護、零件損傷小等，由此也被稱作當代最具革命性的焊接技術。例如，波音公司在生產C-17和C-130運輸機時，也利用該技術焊接地板來代替緊固件連接，使得地板結構得到簡化，生產成本得到降低。總而言之，攪拌摩擦焊技術將在未來的工業應用中發揮巨大的潛力。

1.4 擴散焊技術

擴散焊又稱擴散連接，它是指在真空環境或者氣體保護下，對母材加熱至熔點以下，將兩個或多個零件表面施加壓力，使界面產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，一次可焊接多個接頭，零件的接頭質量好、形變小，而且焊后無需機加工。由于這些優點，在直升飛機的鈦合金旋翼槳轂、夾層風扇葉片、飛機大梁、發動機機匣、渦輪葉片等零件的生產制造過程中，擴散焊技術已經得到了廣泛的運用。在航空航天領域，焊接技術已經成為了必不可少的重要連接技術，該技術的運用使得飛行器重量有所減輕，發動機質量有所提高，所以大大推動了航天航空產業的發展和生產技術的提高。很顯然，我國航天航空工業在將來的發展中，離不開焊接技術。與此同時，該技術的運用也會推動航天航空工業的飛速發展。

2 焊接技術在航空航天工業中的應用—以電子束焊接技術為例

隨著技術的不斷進步，越來越多的先進焊接技術被研發出來，不僅可以有效地減輕航天航天結構的重量，更可以通過提供先進的技術支持，為航天航空飛機、發動機綜合性能和整體性能的提升提供幫助。電子束焊接技術則是航空航天工業中普遍運用的一種焊接技術。

2.1 電子束焊接在發動機燃燒室中的應用

發動機燃燒室身部主要使用的是不銹鋼焊接結構和銅胎上電鑄金屬。但是，在進行焊接時，由于受各自物理化學性能存在巨大差別，極大地增加了焊接難度，特別是在接頭處記憶產生雜質。當存在較大的焊接應力時，接頭處容易出現開裂。同時，在高溫情況下，電鑄層容易出現削弱，甚至剝離。此外，在采用電子束焊接時，也會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進行焊接時，首先應對電鑄金屬層進行整體退磁，對電子束的路徑進行磁場屏蔽處理。焊接時，主要采用高壓型電子束焊機對燃燒室進行焊接。要盡量避免焊接時產生過多熱量，避免變形，并盡可能的降低接頭的應力，防止易熔夾層的形成，避免應高溫而出現的結合力降低的情況，可以有效地避免開裂情況的出現。

2.2 電子束焊接在波紋管組合件中的應用

航空航天發動機產品中波紋管組合件是其重要組件之一。同時，也是需要利用電子束焊接技術進行焊接的重要部分。一般而言，多層金屬波紋管是航天發動機的主要的動密封原件。多層金屬波紋管作為動密封原件的主要優勢在于不會出現卡滯現象，相對比較靈活。為此，保證運動靈活與良好氣密性是波紋管組合件生產的關鍵所在，而這個環節需要通過焊接來實現。采用電子束焊接技術，可以有效地增強波紋管的接頭強度，從而在盡可能避免變形的同時，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用

在航空航天工業應用中，壓力容器的主要用途在于對各種流體介質進行存儲。壓力容器質量的好壞，直接關系到空間系統的穩定性。電子束焊接在制造高質量壓力容器中具有主導作用。在推進系統中，燃料儲箱與氣瓶是關鍵部件。根據有關部門的統計結果顯示，壓力容器的多發故障主要集中在氣瓶焊縫處。因此，在進行焊接時，氣瓶處焊接要求極高。采用電子束焊接時，可以通過單面焊雙面成形，從設備和工藝的角度控制焊縫內外表面的咬邊缺陷的出現。此外，隨著近年來復核材料氣瓶逐漸增多，其由內外兩層構成。其中，內層為金屬襯層，而外層的復合材料層。前者的作用在于氣密作用，而后者的復核材料則主要承擔大部分內壓載荷。通過電子束焊接技術主要針對氣瓶中的內層，即金屬內襯進行焊接，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行焊接，避免氣孔缺陷。

3 結束語

焊接技術是航空航天領域的重要連接技術，它在促進航空航天制造技術的發展、實現飛行器的減重、高效中發揮著越來越重要的作用。可以預見，我國航空航天工業在突飛猛進的焊接技術的推動下定將取得快速發展。我們相信，隨著技術焊接技術的不斷進步，我國航空航天工業水平也將得到明顯的提升。

參考文獻

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[3]方連軍，劉曉娟，高獻娟.攪拌摩擦焊技術在航空航天工業中的應用[J].中國新技術新產品，2013，13：89-90.

作者簡介：張宏武（1971，1-），男，民族：漢，籍貫：湖南長沙，畢業于湖南理工學院，學歷：本科，一級實習指導師，現工作于湖南省工業技師學院，主要從事焊接技術應用方面的教學研究。