飛機金屬零件焊接及增材制造修復研究與應用現狀

楊愛民 秦仁耀 張國棟

摘要：金屬零件的修復技術是飛機維修的核心技術，其發展關乎我國航空維修水平與能力的提高。針對飛機領域涉及的金屬零件修復技術，包括鎢極氬弧焊、等離子弧焊、攪拌摩擦焊等焊接修復技術和激光直接沉積、電子束熔絲沉積、冷噴涂等增材制造修復技術，分析其工藝特點、優勢，梳理其技術研究和工程應用現狀。指出了國內外航空修復技術研究與應用存在的差距，并對該領域未來的發展趨勢、研究方向和重點做出了研判。

關鍵詞：航空維修;飛機;金屬零件;焊接修復;增材制造修復

0? ? 前言

飛機、現代鐵道車輛等承載結構在制造和服役過程中產生的缺欠和傷損，會降低結構的承載能力和服役壽命。對經安全評估后不可接受的缺欠和傷損（即缺陷）進行修復，是提升結構壽命和減低成本的重要手段和途徑之一，近年來得到工業界的廣泛重視[1]。其中，航空修理是指飛機及航空發動機在服役期間的維護及定期修理，以確保航空飛行的安全可靠[2]。飛機在起降與飛行過程中經受復雜的拉壓彎扭及振動和沖擊載荷，承受大氣腐蝕、沙塵等環境的侵蝕作用，其金屬零件會發生磨損、腐蝕甚至裂紋等損傷。在日常檢修和周期性維修過程中，對損傷嚴重但尚未達到報廢要求的金屬零件進行可靠、及時和成本可控的修復，對于保障飛機運行的安全性、經濟性，以及保障任務執行和出勤率，具有重要的作用和意義[3-4]。飛機金屬零件的修復是航空維修的核心技術，是各國競相發展的維修保障技術。隨著飛機設計、材料和制造技術的發展，現有的維修技術越來越難以滿足先進飛機安全、可靠、經濟運行的需求[5]。因此，發展和掌握飛機起落架、框梁等承力關重件和傳動器、齒輪箱等復雜零件的修復技術，是提高飛機自主維修能力、保障航空安全運行、保障軍隊戰斗能力的內在要求，也是控制航空運行成本和加快形成國內航空維修產業化能力、降低民航國外送修率的客觀需求。

目前在飛機修理領域，以鎢極氬弧焊為代表的焊接修復技術和以激光直接沉積為代表的增材制造修復技術共存互補，各有所長和適用場合。增材制造在維修領域的應用包括兩個方面，一是可作為再制造技術用于航空零件損傷的修復，二是可用于維修所需備件的增材制造。文中僅涉及零件損傷的增材制造修復，即損傷零件的再制造。

1 飛機金屬零件修復技術種類與特點

1.1 焊接修復

飛機零件主要損傷形式有磨損、裂紋、腐蝕和加工缺陷。根據零件、材料、缺陷類型的不同，采用不同的焊接方法進行修復[6]，常用的焊接方法主要有焊條電弧焊、氬弧焊、等離子弧焊、激光焊、電子束焊等，近年來單面電阻點焊、攪拌摩擦焊等修復新方法開始出現。不同焊接修復方法的優缺點及應用領域如表1所示。

（1）焊條電弧焊修復。

焊條電弧焊修復是采用藥皮焊條對部件損傷進行補焊，主要用于結構鋼、不銹鋼、鎳基合金類材料部件的修復，優點是操作簡單、可達性好、成本低。一代、二代等早期飛機零件多采用該方法修復，目前應用較少。

（2）鎢極氬弧焊修復。

鎢極氬弧焊修復主要采用手工焊方式，是目前最常用的焊接修復方法。其特點是操作靈活方便、適用范圍廣、修復成本低。其不足是：大面積修復時的熱應力和變形較大;用于焊接性差的材料，如碳含量高的高強度鋼等材料修復時容易產生裂紋。

（3）等離子弧焊修復。

與氬弧焊相比，等離子弧焊能量密度高、熱輸入小、焊接變形小、產生裂紋傾向性小，多用于復雜結構局部磨損部位的自動堆焊修復。

（4）激光焊修復。

激光焊修復的主要方式是激光焊接補片，即利用激光焊接將補片或補塊焊接到零件受損部位進行重建，然后再按零件形狀要求進行修磨。主要優點是能量密度更高、焊接熱輸入更小、熱影響區小和焊接變形小。

（5）電子束焊修復。

電子束焊修復的特點與激光焊相似，主要采用焊接補片的形式，適用于補焊規則的焊縫。一般需要對待補焊部位進行標準形狀加工，再進行補片焊接。

（6）電阻點焊修復。

電阻點焊最適合用于飛機零件損傷修復的方式是單面點焊。其基本原理是：由焊件的一側施加電極壓力，通過點焊機向焊接區輸送焊接電流，對焊件接觸面通電加熱，利用塑變能和熱能激活接觸點的原子，形成熔核、實現連接。單面點焊操作方便、受結構限制少，適合于飛機結構裂紋、缺口、破孔和剛度失穩等損傷的原位快速修復[7]。

（7）攪拌摩擦焊修復。

攪拌摩擦焊是一種固相連接技術，焊接過程中材料只是軟化而非熔化，軟化的組織不受重力影響，因而可用于免拆卸修理和原位修理，提高修理效率。適用于飛機機體構件裂紋、破孔、缺口、斷裂等損傷的修理[8-9]。

1.2 增材制造修復

由于在維修過程中發生變形、開裂或熱損傷而造成零件報廢，或者由于修復后使用壽命縮短，許多零件不能用現有焊接技術維修。此外，維修效率低、沉積成形差、后續加工量大也是制約焊接修復技術應用的因素[10]。在這種情況下，增材制造技術為航空維修和大修提供了新穎獨特的解決方案。該技術適用的材料更為廣泛，能夠維修可焊性差的材料，具有自動化程度高、熱應力小、變形小等優點[5]。目前適用于飛機金屬零件修復的增材制造技術主要有激光直接沉積、電子束熔絲增材制造、電弧增材制造[11]。冷噴涂作為一種更廣義的增材制造工藝，在飛機修復領域也極具應用前景。

（1）激光直接沉積修復。

采用激光熔敷技術可以避免普通焊接維修帶來的很多問題，但是仍然存在生產效率低、表面質量差、報廢率高和后續加工困難等一系列問題。激光直接沉積是激光熔覆技術的進一步發展。激光直接沉積修復技術以金屬粉末為材料，在CAD/CAM軟件支持下，NC控制激光頭、送粉噴嘴和工作臺按指定空間軌跡運動，依據缺陷幾何形狀，在待修復部位逐層成形，最后生成與缺陷部位近形的三維實體，完成對損傷零件的幾何形狀和力學性能的恢復[12]。

激光直接沉積修復是目前應用最廣的增材制造修復技術，其優點有：

a.高能密度激光作為能量源，熱輸入小，零件修復區域的熱影響區小，因而應力及變形小。

b.零件基體和激光修復區界面處為致密的冶金結合，不會出現脫落、剝離等問題。

c.激光修復區的力學性能良好。

d.激光修復區形狀和零件缺損形狀接近，表面質量好，修復后僅需少量的處理即可使用。

e.修復過程可由計算機控制，無需人為干涉，修復可靠性高、重復性好，可修復形狀復雜零件。

修復步驟包括修復前準備（損傷部位信息采集、加工和清理）、修復、修復后處理（修復部位機械加工及熱處理）。

（2）電子束熔絲增材制造修復。

電子束熔絲增材制造在真空室內進行，用于重要鈦合金零件的修復，有利于保證零件性能。

（3）電弧增材制造修復。

電弧增材制造技術可采用非熔化極和熔化極惰性氣體保護焊、熔化極活性氣體保護電弧焊以及冷金屬過渡焊方法。其中冷金屬過渡焊更適合用于修復。該技術通過數字化協調熔滴過渡和送絲運動，實現數控方式下的短電弧和焊絲的換向送絲監控。熔滴過渡時電弧熄滅，焊接電流降低為0，從而大大降低焊接熱輸入，實現無焊渣飛濺，而且電弧更加穩定。

此外，微束等離子弧增材制造也可歸類于電弧增材制造范疇，用于修復時多采用送絲模式。該技術以小電流（通常小于30 A）的等離子弧為熱源，通過熔絲方式在工件表面以擬定的路徑實現逐層材料的堆積[13]。其具有自動化程度高、型面近凈成形、力學性能高等獨特的優點。

（4）冷噴涂增材制造修復。

冷噴涂增材制造是一種基于高速粒子固態沉積的涂層制造方法，修復的零件表面溫度低、變形小。特別適用于溫度敏感材料（Al、Cu、Mg）合金的零件修復。在航空維修領域應用前景廣泛，配合便攜式噴涂設備，可實現失效零件的現場快速修復。

（5）微弧沉積與激光熔覆復合修復技術。

微弧沉積與激光熔覆復合修復技術是利用微弧沉積和激光熔覆交替在損傷零件表面形成冶金修復層的再制造技術。其具有熱影響區極小（0.1～0.2 mm），熔覆層與基體金屬為冶金結合等特點[14]。主要用于超高強度結構鋼等飛機關鍵重要受力構件的表面損傷修復。

2 國外飛機零件修復技術研究與應用

2.1 焊接修復

鎢極氬弧焊修復技術在國外飛機維修領域已獲得了成熟應用。

英國空中客車公司對在役商用客機的機翼蒙皮結構的攪拌摩擦焊修理進行了研究[15]。文獻[8-9]指出，采用攪拌摩擦焊修理機翼裂紋能消除高應力集中，使蒙皮表面需要的首次安全檢驗時間推遲3.5 倍，并減少了隨后的檢驗次數。對框、肋裂紋進行攪拌摩擦焊修理時，攪拌頭沿裂紋方向進行焊接，如圖1 所示，即可消除裂紋，并且基本達到等強度修理的性能指標。與鉚接加強片修理方案比較，攪拌摩擦焊提高了修理速度和修理質量，而且不會增加額外的修理重量。

攪拌摩擦焊用于蒙皮破孔修理時，先將破孔切割成規則形狀，再對切割孔和補片邊緣進行機械加工，使邊緣成一定互補的角度，再進行攪拌摩擦焊接，如圖2所示。不僅可滿足飛機結構強度要求，而且不改變氣動性能。

對于位于翼梁、翼肋等飛機骨架構件上的缺口損傷，采用攪拌摩擦焊技術修理時，僅需對腹板作局部更換，然后操縱攪拌頭沿新腹板和原腹板連接處進行移動焊接，即可完成修理。

2.2 增材制造修復

隨著增材制造技術的發展，高附加值、修復性能要求高的飛機零件更多地采用增材制造技術修復[16-17]。

美國AeroMet公司率先將激光直接沉積應用于飛機修復，使F15戰斗機中機翼梁的檢修周期縮短為1周[12]。美國賓州大學研制出便攜式1 800 W Nd：YAG激光修復設備，利用光纖與機器人結合的系統對海軍艦艇與飛機進行現場原位激光直接沉積修復。

2000年，美國陸軍研究實驗室（ARL）開始開展冷噴涂修理技術在航空領域中的應用研究，涉及B-1轟炸機、F-18戰斗機、“ 黑鷹 ”直升機和“ 海鷹 ”直升機的冷噴涂修理工作。目前，該中心應用冷噴涂修理軍機的成功實踐經驗已經被移植至民用領域[18]。穆格（Moog）公司采用鈦、不銹鋼、銅和其他原料粉末對機輪、機身板類件等進行冷噴涂修理。美國Villafauerte等人采用冷噴涂技術修復飛機鋁-鎂合金零件的腐蝕區域。美國Champagne等人采用冷噴涂Al涂層，對飛機傳動器和齒輪箱的鎂合金外殼進行修復，修復件服役超過7 000 h而未見明顯腐蝕。該技術的推廣有望減少40%的零件更換。

FAA目前批準的冷噴涂維修技術應用范圍限于變速箱或殼體等附件。Airborne維修工程公司（AMES）正致力于向FAA證明冷噴涂技術可應用于機體結構件。AMES首先選擇次級結構件進行修理驗證，如蒙皮面板、空氣負載拱肋和波音767的機輪等結構件。為降低成本和提高環保性， AMES率先在軍機的冷噴涂修理中以氮氣替代氦氣，目前還在試圖獲得民航維修領域的應用許可。

2.3 修復結構完整性和壽命評估

現代修復技術從技術上需要考慮結構失效部位是否修復完全、修復過程中的焊接缺陷以及修復后的性能能否達到工作要求等問題，因此應將焊接修復的完整性評定作為修復系統工程的一部分進行配套解決。根據國外已經比較成熟的技術標準，金屬結構焊接修復完整性評定工作應包含失效分析、斷裂性能測試和壽命預測等方面[19]。

零件修復后重新投入使用，由于補修技術、操作技術和實施工藝參數等不盡相同，尤其是補修后局部材料性能隨著服役時間的延長會有所變化，需要對補修后部件的材料性能、服役壽命的演化關系及相應的檢查監控方法開展深入探索[1]。

補焊區域的高溫熱效應會改變補修區域的材料組織和力學性能，形成一定程度的應力集中，引入復雜的殘余應力場（拉伸應力會促進裂紋萌生和擴展），因此焊后通常要采取局部熱處理和沖擊處理等措施以均勻化近焊縫區的微觀組織，提高其材料性能。

熱等靜壓可以有效消除內部疏松、縮孔和裂紋等缺陷，同時具有均勻化組織和殘余應力的作用，主要適用于零件內部缺陷的補修[20]，在增材制造零件完整性評價中也得到了廣泛應用[21-22]。

目前，飛機結構疲勞壽命的計算方法通常采用應力壽命和損傷容限分析方法[23]。通過對不同種類的軍用飛機進行機身結構疲勞試驗，Molent等得出了Paris疲勞裂紋擴展公式，用于處理飛機典型結構的疲勞裂紋擴展問題[24]。

3 國內航空零件修復技術研究與應用

國內各專業航空修理廠、制造廠和相關研究單位采用焊接和增材制造技術對高強度鋼、高溫合金、鈦合金材料和復雜結構件的裂紋、磨損和腐蝕等故障開展修復研究，取得了重要進步。

3.1 焊接修復

國內在高強鋼或超高強度鋼起落架等零件長期焊修的過程中，已經形成了成熟的焊條電弧焊修復裂紋技術。對于壁厚大于3 mm的零件中產生的非穿透性裂紋，首先沿裂紋的整個深度剔槽，使其呈U形面。然后烘干焊條，以不超過最終熱處理回火溫度的溫度預熱零件，采用HT-4焊條焊滿U形槽，焊接結束后，立即將零件放入200～250 ℃做等溫處理[25]。

國內目前仍普遍采用鎢極氬弧焊方法修復飛機的服役損傷零件。飛機上故障率較高的焊接件主要有5A05合金導管，3A21合金油箱和導管，1Cr18Ni9Ti鋼燃油導管、噴管和GH3030合金尾噴管等。針對這些零件的裂紋損傷，已經形成較為成熟的鎢極氬弧焊修復工藝[26]。

國營蕪湖機械廠針對某型飛機30CrMnSiA高強鋼封嚴蓋內側肋條表面機械磨損，采用脈沖鎢極氬弧焊修復[27]。選用材質相近焊絲，嚴格控制焊接電流和焊接速度，采用小電流焊接，道間溫度控制在100℃以下，并留有0.5～2.0 mm加工余量。修復零件的力學性能和變形量均能滿足技術要求。

北京航空材料研究院針對飛機的鈦合金滑軌、不銹鋼滑軌、鎂合金支座和殼體、鋁合金搖臂組件等服役損傷零件，開展鎢極氬弧焊修復研究，解決了焊接材料、力學性能和變形控制等技術問題，實現了修復零件的交付、使用[28]。

空軍第一航空學院針對TC4鈦板裂紋和破孔損傷進行了單面點焊修理試驗研究，如圖3、圖4所示。靜力試驗表明，裂紋和破孔經單面點焊加強后的強度回復率分別達到無損傷件的86.07%和86.95%，均滿足飛機結構原位修復的強度要求[7]。

3.2 增材制造修復

北京航空材料研究院針對 A320、A330、第三代戰機、伊爾 76 飛機超高強度鋼起落架、不銹鋼端軸頸、大螺栓、鈦合金襟翼滑軌等承力構件，開展了激光直接沉積修復工藝研究，突破高強韌粉末材料設計與制備以及超高強度鋼等高性能材料的修復組織、缺陷及性能控制關鍵技術，建立了系列標準及規范，修復零件通過裝機評審或裝機應用[6，29-32]。修復的部分零件如圖5所示。其中修復的伊爾 76 飛機超高強度鋼起落架作動筒經 900 h起落飛行，狀態良好，已得到批量應用，見圖5b。

微弧沉積與激光熔覆復合修復技術已經用于飛機端軸頸表層損傷的修復、起落架活塞桿法蘭盤裂紋的修復等，如圖6所示[14]。

3.3 修復結構完整性和壽命評估

承載零件修復后還必須從結構完整性角度進行考核，以確保在實際運用中不形成新的缺陷源。對于缺損件的再制造，必須“ 修形修性 ”并行。目前國內欠缺在部件補修后服役過程中的更新檢查和持續監控方面的深入系統研究[1];關于修復部件使用壽命評定還沒有系統、可靠的修復技術標準和規范[19]。

零件修理過程中的焊接或補焊會導致材料的性能損失。一些零件焊接或補焊后無法通過熱處理消除應力和恢復性能，對產品性能和質量影響極大，如何恢復或增強焊縫性能一直是難以解決的工藝問題。超聲沖擊和振動時效技術屬于非熱處理消除焊接殘余應力的方法，它通過微觀塑性變形和應力均勻化作用能夠消除或降低焊接殘余應力水平，避免熱處理帶來的焊接變形問題，并可大幅提高焊接接頭疲勞壽命[33]。近年來，國內越來越關注激光表面沖擊強化技術的研究，鋁合金激光表面沖擊強化研究的結果顯示，激光強化后零件抗塑性變形能力、耐磨性和抗疲勞性均得到了相應的提高[34]。

飛機結構疲勞壽命預測受不確定性因素影響較大。為了克服這種缺陷，林琳[35]等提出了將擴展卡爾曼濾波（EKF）和實時狀態數據相結合的結構剩余壽命預測方法。通過對結構的疲勞裂紋擴展模型中的不確定性參數進行實時更新，使模型具有自適應消除噪聲能力，提高了壽命預測精度。整個預測流程分為參數評估和壽命預測兩部分。在參數評估部分，EKF算法利用實時狀態參數觀測值，不斷更新疲勞裂紋擴展模型中的狀態參數，以更好地反映結構裂紋的擴展趨勢。在壽命預測部分，基于更新后的疲勞裂紋擴展模型，通過不斷迭代來求得結構的剩余壽命。

國內針對飛機機身結構的修復壽命預測研究開展還較少。典型的航空修復壽命評估研究是發動機渦輪盤再制造低周疲勞壽命預測。王常浩[36]等針對再制造渦輪盤低周疲勞參數數據缺乏的現實，提出了再制造渦輪盤壽命修正系數，對應用新品渦輪盤低周疲勞參數數據和壽命預測模型得到的壽命預測結果進行修正，實現再制造渦輪盤低周疲勞壽命預測。

3.4 國內外差距分析

（1）航空零件修復的自動化水平。目前國內航空零件的修復主要依靠傳統的鎢極氬弧焊，并且以手工氬弧焊為主，對焊工的操作水平要求高，零件修復質量和性能因人而異，產品修復性能的穩定性較難控制。而國外公司重視發展自動化修復裝備和工藝技術。美國2000年啟動的用于維修行動的工業技術項目（CTMA），很早就將第二階段目標鎖定在通過軟、硬件閉環控制提高零件修復質量[10]。

（2）航空零件修復的新方法研究方面。國外在材料加工和制造技術方面的原創性能力強，并且具備很強的設計制造新工藝裝備的能力。因此，激光直接沉積增材制造、冷金屬過渡CMT焊接等材料加工和零件制造新方法出現后，很快就被國外用于航空零件的修復。國內對修復新方法的初期研究主要依賴進口國外的工藝設備，這導致國內新方法的研究與應用有所滯后。

（3）修復技術應用研究方面。國內激光、電子束焊接與增材制造修復等先進的修復方法研究不足，缺乏高強鈦合金、超高強度鋼等關鍵材料修復性能基礎數據;修復過程中裂紋等缺陷控制和應力變形控制研究不足;專用修復粉末、絲材需要研發，材料體系需要完善;鋁、鎂等輕質合金零件的修復研究尚不系統，暫時無法應用;損傷零件可修復性評估基礎工作不足，缺乏指導性標準文件;修復缺陷控制和產品驗收標準仍主要依據制造標準;修復零件損傷容限和壽命預測等研究缺乏。

（4）航空零件修復產業化方面。國外已形成軍民用飛機和發動機修復產業，既有整機維修企業，也有部件修復維修企業，形成完整的產業鏈。國內僅整機維修形成產業，尚無專業化修復規模企業，零件修復業務零散分布于高校、科研院所和整機制造廠、整機維修廠，未形成零件修復產業。

除了在設備、工藝、應用研究和產業化等技術本身和產業應用方面外，國內外對飛機修復的重視程度也存在差距。認識論上的差距在一定程度勢必導致航空修復技術發展和產業應用的滯后。西方主要發達國家早已認識到修復技術在保證航空裝備正常運行、延長使用壽命方面的重要意義和巨大的技術經濟效益，并在零件損傷機理、損傷容限、可修理性評估、修復工藝方法、修復后的質量評定和使用可靠性評定等方面進行了大量系統的基礎性研究[37]。而國內的航空修復基礎和應用研究，其啟動往往較遲、經費投入不及國外。

4 航空零件修復技術發展趨勢、研究方向和重點

4.1 發展趨勢

為適應飛機和發動機結構設計、材料和制造技術的發展，并滿足新形勢下的軍事保障、環境保護、資源節約、職業健康等要求，對航空金屬零件修復的質量性能、可靠性、現場可實施性、效率成本等提出越來越高的綜合要求。相應地，航空領域修復技術發展呈現出以下趨勢：

（1）零件修復所使用設備的自動化水平提高，修復工藝標準化，手工作業逐漸減少。

（2）新材料、新結構的零件修復需求增加，修復過程裂紋防止、性能調控、變形控制難度增大。

（3）低熱量輸入、高成形精度的焊接和增材制造修復方法應用更加廣泛。

（4）航空零件修復專業化的規模企業逐漸形成，修復的產業化水平提高。

4.2 研究方向和重點

為順應航空領域修復技術發展的趨勢，促進修復技術發展和維修保障能力提升，推動修復產業化發展，應重點開展以下研究工作：

（1）自動化修復工藝設備的研制，解決功率管理、高精度進料、質量在線監控等關鍵技術。

（2）高能束焊接與增材制造修復、冷噴涂增材制造修復、攪拌摩擦焊修復等技術應用研究。

（3）高強韌和輕質材料的焊接與增材制造修復技術研究。

（4）關鍵重要承力結構的損傷容限性能、壽命預測研究。

（5）戰場條件便攜修復設備和工藝研究。

5 結論

鎢極氬弧焊在國內外飛機和發動機維修領域已獲得普遍應用。增材制造為零件修復提供了個性化、高效率的實現手段，是歐美發達國家首選的航空發動機零件再制造技術。隨著激光增材制造技術的發展，國內附加值高、修復性能要求高的航空零件開始采用增材制造技術修復，并取得了明顯成效，提升了飛機自主修理保證能力。

但與國外相比，國內航空零件修復技術研究與應用仍存在自動化水平低、新方法研究滯后、應用研究不足、未形成產業化以及重視程度不夠等差距。隨著飛機結構設計、材料和制造技術的發展，以及新形勢下的軍事保障、環境資源、職業健康等方面要求的提出，零件修復技術發展呈現出新特點、新趨勢。為促進國內修復技術的發展和維修保障能力的提升，推動修復產業化發展，應重點開展自動化修復工藝設備、增材制造修復應用、高性能材料和復雜結構修復、損傷容限及壽命預測、戰場條件修復等研究。

相信通過國內科研院所和航空產業部門的共同努力，我國的飛機修復技術的基礎理論研究、工藝應用和工程實踐水平必將取得快速和質的提升，促成國內航空修復產業的快速和健康發展局面，使我國躋身世界航空修復強國。

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