焊接技术在轻金属航空机体制造中的应用.pdf

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1、焊接技术在轻金属航空机体制造中的应用ApplicationofWeldingTechnologyinLightMetalAviationBodyManufacturing山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室李亚江刘坤李亚江山东大学教授．博导。从事先进材料特种焊接技术的科研工作。主持完成国家自然科学基金4项和省(部)级项目16项．获国家教育部自然科学奖一等奖。授权国家发明专利34项；曾在莫斯科鲍曼科技大学(BMSTU)和美国UniversityofVirginia从事合作研究。发表SCl／EI收录论文280多篇，指导博士生14人．硕士研究生20多人。随着我国航空航天

2、等国家重大项目的实施，轻金属(铝合金、钛合金等)在减轻结构重量、降低能耗、提高装备陛价比等方面独具优势，成为航空领域重点发展与应用的先进结86航空制造技术·2015年第23／24期航空轻金属的焊接已由传统气体保护焊电弧焊(GTAW／GMAW)及激光焊(LW)过渡发展到搅拌摩擦焊(FSW)等固相连接新技术，搅拌摩擦焊将航空轻金属的焊接制造推动到了一个崭新的时代，航空制造领域中搅拌摩擦焊技术的应用将会越来越多，轻金属在航空制造领域的应用也会更加深入oDOI：10．16080／j．issnl671-833x．2015．23／24．086构材料。在航空机体制造中，焊接始终处于至关重

3、要的地位，随着日益严格的服役环境和高可靠性要求，对航空轻金属焊接技术的同步发展也提出了更高的要求。航空轻金属应用及焊接难点轻金属结构的早期焊接工艺研究多集中于采用传统的电弧焊，但焊接缺陷(气孔以及热裂纹)和较低的接头强度问题一直未能得到彻底解决。随着搅拌摩擦焊技术的问世，轻金属的电弧焊连接逐渐转向搅拌摩擦焊研究，搅拌摩擦焊技术在航空航天机体制造中的成功应用彰显了其独特的技术优势以及巨大的经济和社会效益[1-3]。由于轻金属自身的特点及性能优势，发达国家已将轻金属焊接技术应用于大型飞行器和高速列车的制造中。我国对轻金属焊接的研究也取得了长足发展，但总体来说，轻金属焊接技术依然

4、是我国大型机体轻金属结构制造的瓶颈所在，仍制约着轻金属焊接结构制造水平的发展和应用。(1)铝合金。铝合金在飞机制造中是主要的结构材料，它约占骨架重量的55％，且大部分关键部分，如涡轮发动机轴向压缩机叶片、机翼、骨架、外壳、尾翼等是由铝合金制造的，部分变形铝合金在飞机上的典型应用如表1所示14】。铝合金由于自身化学性质活泼，对氧的亲和力很强，在空气中很容易大。氧化成致密难熔的氧化膜。铝及铝合金在熔化焊时有以下难点：铝合金焊接热影响区易发生软化；铝合金的导热系数较高，针对硬铝和超硬铝焊接有时要求预热并使用能量集中的热源；铝的线胀系数和凝固时收缩率都比较大，焊接变形大，易产生裂纹

5、；焊后焊缝易产生气孔；铝合金焊缝易产生热裂纹。(2)钛合金。自从20世纪50年代以来，世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行了研究开发，并得到实际应用巧】。美国开发了第一种真正用于飞行的钛合金(Ti一13V一11Cr一3A1)，这种高强可热处理的钛合金在高速预警机中得到了应用【6】。近年来，欧美发达国家以及Et本在飞机上钛合金的使用量在逐年增加。钛合金被大量应用于飞机骨架中承受大应力、要求严格的部件，主要用作压气机盘、涡轮盘、叶片和机匣等，在发动机减重中起到了举足轻重的作用[7-9]o图1为采用Ti一15V一3Cr一3A]一3Sn钛合金制造的正弦波翼梁结构，

6、主要应用在B一1B轰炸机尾翼上[10J。钛及钛合金的焊接性有着自身的特点，但这些焊接性特点是由钛及钛合金的物理、化学性质及热处理性能所决定的：焊接接头区脆化；钛及钛合金焊缝金属易产生气孔；熔合区的微观组织对接头区性能影响很气体保护焊(GTAW／GMAW)和搅拌摩擦焊(FSW)技术拥有各自独特的优点，对于航空轻金属材料的连接具有其他焊接方法不可比拟的优越性。特别是搅拌摩擦焊是固相连接方法，具有较小的焊接变形，焊接中不需要添加保护气和焊丝，没有熔化、烟尘、飞溅及弧光，是一种环保型的新型连接技术。FSW技术在问世后的短短几年内，在焊接机理、适用材料、焊接设备以及工程化应用方面均取

7、得了很大的进展[11-131。航空轻金属气体保护焊(G1-AW，GMAW)和激光焊(LW)1气体保护焊(GTA＼Ⅳ／GMAW)铝合金的钨极氩孤焊(GTAW)勿眵V霰矽产：：^．乡0移i图1Ti一15v一3Cr-3AI一3Sn钛合金制造的正弦波翼梁结构表1变形铝合金在飞机各部位的典型应用和熔化极保护焊(GMAW)是目前最常用的铝合金焊接方法，具有设备简单、成形好、电弧稳定等优点。自动化熔化极氩弧焊(CMAW)具有高的灵活性，对表面母材氧化膜有阴极雾化处理作用，在轻金属焊接中得到广泛应用。铝合金传统气体保护焊(GTAW