航空航天中輕合金焊接工藝的探究

◎王佐臣

在航空航天工藝術技術不斷成熟的當下，輕合金的焊接工藝成本較低，焊接質量更高，運用該焊接工藝制造的航天器更加輕盈與靈活。現階段，輕合金領域的研究更加深入，焊接技術的發展，推動了航空航天事業的發展，輕合金焊接件以其安全、可靠的特點，使飛行器的負荷得以降低，生產效率得以明顯提升。

一、可焊性鋁鋰合金的研究進展

目前，鋁鋰合金在液體運載火箭以及飛行器方面發揮著重要的作用，同時還應用于儀器艙與導彈航等制造領域，其具有密底低、強度高以及彈性良好的特點，可以應用于承受軸結構件的制度當中，可以實現負載的有效降低，對外力具有較強的抵抗作用。同時，由于鋁鋰合金具有重量輕的特點，鋁鋰合金逐漸取代了鋁合金而成為航空航天飛行器的主要結構件。在焊接過程中，通過精良的焊接工藝也使鋁鋰合金的作用得以發揮，使導彈彈頭殼強度更高、剛性極佳，這對火箭推進劑的穩定提供了保證。20世紀90年代，原蘇聯的航空研究中心在鋁鋰合金的技術上有了進一步的延伸，將1450Al-Li合金升級為460A1-Cu-Li-Mg-Zr-Sc系合金，強度和性能有了更大的提升。

二、航空航天中輕合金焊接工藝及其應用探究

1.熔化極氣體保護焊。

熔化極氣體保護焊在焊接熔池或高溫金屬時，其焊接成本較低，此方法主要是以特殊的電弧焊方法作為電弧介質，進而使焊接工藝的質量得以保證。此焊接藝術在世界范圍內的應用較為廣泛，是火箭烯料貯箱內的主要焊接構件。同時，此技術以其先進的自動焊接功能被應用于愛國者導彈的彈翼，使不銹鋼翼的制作板材穩定性更佳，安全性更高。

2.鎢極氣體保護焊。

與熔化極氣體保護焊的成本優勢不同，鎢極氣體保護焊只有在熱源充足的情況下才可以進行焊接，如無法保證焊接熱源、焊接資金不足，烏極氣體保護焊的技術效果將難以發揮。并且，在焊接6mm以下的飛機管路系統、魚鱗門、不銹鋼、發動機散熱器核心等構件上，鎢極氣體保護焊的焊接效果更佳。在焊接土量與火箭的燃料貯箱時，僅采用熔化極氣體保護焊進行焊接難以實現焊接變形，因此，必須應用鎢極氣體保護焊，才可以提高焊接質量，制作出工藝精良的燃料貯箱。

3.可變極性等離子弧焊。

此焊接技術在厚度中等的鋁合金材料方面的應用較為廣泛，在航空航天領域，主要應用于外油箱厚截面型材的焊接。可變極性等離子弧焊的焊接原理是其正極與負極所發揮的作用并不相同，正極可以實現金屬的熔融與穿透，而負型由可以實現型材陰極的鈍化。在數值控制方面正極與負極的標準都較為明確，與負極電流相比，正極電流高出范圍為40至80A。同時，在焊接外油箱時，采用可變極性等離子弧焊進行焊接可以顯著提升焊接工藝質量，同時也可以有效節約焊接成本。

4.電子束焊。

從焊接強度層面分析，與鎢極氣體保護焊相比，電子束焊的焊接強度更高。二十世紀五十年代，外國專家通過實踐發現，在焊接超過8mm的中厚板材時，電子束焊的焊接效率更高，同時焊接工藝質量極佳。其不足之處是，必須在真空環境才可以完成電子束焊操作，因此，焊接成本較高，由于空間的限制，無法焊接尺寸較大的焊件。軍用飛機所應用的型材必須具有較高的強度，通常鈦合金材質應用較多，然而由于其性質并不穩定，極易在空氣中氧化，因此，可以采用電子束焊的方式在真空環境進行焊接。從20世紀70年代開始，電子束焊焊接就被美國的麥道公司開始使用在F15戰機的機翼和機尾結構上，隨后，F14、F22、颶風等都通過電子束焊進行焊接變截面構件、機身、尾翼等結構上。此外，俄羅斯能源號的火箭貯箱面積很大，需要通過電子束焊進行真空焊接，使用電子束將介質液體實施密封，最終順利焊接成1460Al-Li合金。所以，能源號火箭才成功將暴風雪號航天飛機運載升空。

5.攪拌摩擦焊。

在1991年，英國發明了一種固態焊接技術—攪拌摩擦焊，能夠成功將變形的機械進行金屬焊接。事實上，攪拌摩擦焊主要是繼承原有的焊接技術，通過特殊制作的摩擦頭操作需要被焊接的構件上，在壓力的作用下，摩擦頭能實現可控制的旋轉，將焊接部位升溫發熱變形后才進行焊接。因此，攪拌摩擦焊最大的特征是接頭沒有裂紋、氣孔，更不會存在雜質，就能在不飛濺金屬液體的情況下，進行材料的焊接。而且，由于焊縫的熱源影響不大，焊接的區域面積更加能方便掌握，即便是非常小的焊接組織，也可以輕松連接。此外，攪拌摩擦焊的焊接強度又有了新的提升，在用電弧焊的基礎上提升了60%，材料的厚度也更加精細，能實現1.2-55mm的構件焊接。

6.超塑成形／擴散連接。

超塑成形／擴散連接技術不僅能實現超塑成形焊接，還能夠將擴散的金屬狀態成功實現粘合，焊接成為一個整體性的結構，技術質量有了進一步的提高，能快速生產出符合飛機使用的鈦合金零件。因此，此技術與鈦合金上的完美融合，進一步推廣了超塑成形／擴散連接技術的研究開發。英國宇航公司Bae的125／800出口艙門，自從使用超塑成形／擴散連接技術的鈦合金艙門后，由原先的78個部件直接減少到14個部件，從千余個緊固件縮減到不到一百個，成本得到了有效的控制。

三、前景展望

在構件改造方面，輕合接焊接工藝不斷發展，極大的提高了構件的質量與性能，同時也實現了制作成本的有效控制。現階段，焊接技術的研發得到了相關領域的關注，在航空航天領域的應用也更加廣泛，可以使軍用或民用飛機結構更加穩定。此外，鈦合金以及鋁鋰合金的焊接技術應進一步應用與發展，進而為航空航天事業在國際競爭中地位的提升奠定基礎。

結語：鋁的導電性能良好，密度較小，具有較高的機械強度，基于這些物理物性，鋁在工業領域的應用越來越廣泛。現階段，鋁及輕鋁合金逐漸應用于航空航天領域，其焊接工藝不斷提升，應用范圍不斷拓展，未來，輕合金焊接工藝必然進一步發展，進而可以有效促進鋁合金在各個領域的應用與發展。