我国现代运载工具制造工程中的特种焊接技术..doc

我国现代运载工具制造工程中的特种焊接技术 北京航空制造工程研究所 关 桥 ? 焊接/连接技术在20世纪的后半叶，已发展成为金属材料加工制造业中的一个重要专业学科。钢铁材料在大型工程结构中应用面的扩大和新产品日新月异的发展对焊接/连接科学与技术提出许多难题；40年前,中国焊接学会的成立,为引导学科发展,繁荣焊接科技,促进国民经济发展,作出了积极的贡献.。然而，新世纪伊始，面对新材料、新结构突飞猛进的发展势头，焊接/连接科技又面临新的挑战；甚至，在一定程度上制约着高新科技产业的发展。如果说，在过去的50年间，机械制造业中钢结构量大、面广的生产是对高效、低成本焊接技术（焊接材料、方法及设备）的主要牵引力的话；在今后的50年间，以高新科技产品和现代运载工具为代表的前沿工程科技,正在呼唤特种焊接/连接科技的新突破。 1 现代运载工具结构和材料的发展对焊接/连接技术的牵引 图1给出了从水下到太空范围人类用以克服距离、探索自然的运载工具。 图1 从水下到太空的现代运载工具 这些运载工具发展的共同技术特点是更快、更轻、更强（在特定的环境条件下满足更高、更远、更深的技术要求）。 任何一个运载工具都由两个主体组成：其一是运载器主体结构，其二是动力装置。为了实现主体结构更强和速度更快的技术目标，在承载结构减轻自重的设计选材时，除金属结构材料中钢、铝合金、钛合金外，正在方兴未艾发展的复合材料和非金属材料也都在优选之列。为了满足运载工具的高性能动力装置的技术要求，如核动力装置或喷气发动机动力装置的超常规参数运行指标，又必须采用耐高温超级合金材料、陶瓷材料或性能优异的复合材料（金属基或陶瓷基）等。可见，无论是深潜器、飞机还是运载火箭、空间站，新结构和新材料的采用都对焊接/连接技术与科学的发展提出了严峻的挑战。以电子束焊接技术的发展为例，50年前，为了发展核动力装置，最先把高能量密度的电子束焊接方法应用于薄壁核燃料棒的封接制造；当今，正在把电子束焊接技术（或搅拌摩擦焊技术）应用于防止核废料污染的厚壁铜容器的封接;在技术要求上同样都是高可靠性的连接。电子束焊接在实现深潜器厚壁钛合金球形容器的焊接方面，仍具有无可替代的优势。在用于太空探索空间站建造与维修方面,电子束焊接与钎焊也已有独到的成功应用。 在飞行器的结构设计与制造工程中，焊接/连接技术的发展是与飞行器及其动力装置高性能技术指标所决定的选材直接相关。图2所示为歼击机结构材料变化的对比[1-5]；与SU-27和F-15相比，复合材料（树脂基纤维增强）和钛合金的应用比例在F-22上扩大了许多；由此，对焊接/连接技术的牵引有了新的方向。飞机钛合金重要承力构件的电子束焊接和特种氩弧焊技术（穿透焊、潜弧焊等）对于飞行器新型结构的设计作出了贡献[3,5]；高强铝合金在飞机结构上的扩大采用还有待搅拌摩擦焊所具有的技术潜力的发挥。作为高性能动力装置的喷气发动机，高温部件的焊接/连接往往决定着结构的可靠性与寿命；超常规高参数的运行需要用新的技术和特种方法来实现诸如单晶叶片、金属间化合物、金属基复合材料、陶瓷复合材料、层板气膜冷却结构和异种材料的焊接/连接[1,4]。 图2 SU-27，F-15与F-22飞机结构材料的变化 特种焊接技术—作为实现运载工具的新结构设计构思和新材料选用不可或缺的技术保障，可明显地减轻结构重量，降低成本，提高性能，延长寿命，和赋予运载工具以高可靠性和全寿命周期的可维修性；同时，在提高贵重材料的有效利用率方面（从2-3%到70-80%）具有独特的优势[1]。当前，焊接/连接技术对结构造成的不完整性损伤，正在制约着高新技术的发展；强劲的需求牵引要求焊接/连接技术有新的突破与创新。 2 特种焊接技术的进展 2.1 焊接/连接技术在制造业中的地位 自从火焰和电弧发展成为连接金属材料的焊接热源后，经历了百年的发展与进步，尤其在二次世界大战后的50多年间，有了长足进步；焊接/连接技术已成为制造业中的关键专业学科,形成了行业体系。例如,在飞行器制造工程中，50年前，机械连接（螺栓、铆接）占有主导地位；在技术进步过程中，焊接技术的比例逐渐扩大(见图3);在喷气发动机结构连接技术中，焊接占有了主导地位；而在飞机结构的连接中，目前，焊接还不占优势；但其发展趋势是明显的,焊接的应用范围在不断地扩大[1]。 图3 在飞行器制造工程中焊接、机械连接与胶接的历史变迁示意[1] 在过去的50年间，特种焊接技术与我国飞行器制造技术同步发展;在各种常用焊接方法中,特种焊接技术(高能束焊、固态焊、钎焊等)所占的比例也在发生着变化，其应用面正在扩大,见图4。 从图4的变迁示意中还可以看出,在熔焊方法中，气焊的比例减小明显，弧焊仍然是主角，而高能束流焊接技术（电子束、激光束、等离子体）的比重在不断增大。电