材料連接技術(shù)9

1、材料連接技術(shù)材料連接技術(shù)Materials Welding and Joining Techniques 趙興科趙興科課程編號(hào)：302706第三章第三章 典型行業(yè)中的連接技術(shù)典型行業(yè)中的連接技術(shù)3-1 航天航空行業(yè)航天航空行業(yè)3-2 汽車工業(yè)汽車工業(yè)3-3 造船業(yè)造船業(yè)3.1 航天航空中的連接技術(shù)航天航空中的連接技術(shù)行業(yè)的特點(diǎn)行業(yè)的特點(diǎn)行業(yè)中連接技術(shù)行業(yè)中連接技術(shù)典型零部件的連接典型零部件的連接一、航空航天行業(yè)特點(diǎn)一、航空航天行業(yè)特點(diǎn) 航空航天行業(yè)滿足了人類利用技術(shù)克服距離、探索自然的愿望。 F努力制造出更快、更輕、更強(qiáng)的各類飛行器。努力制造出更快、更輕、更強(qiáng)的各類飛行器。飛行器（飛機(jī)、運(yùn)載火

2、箭、空間站等）通常包括兩大部分：主體結(jié)構(gòu)和動(dòng)力裝置。為了實(shí)現(xiàn)更快、更輕、更強(qiáng)更快、更輕、更強(qiáng)的技術(shù)目標(biāo)，促進(jìn)了新型材料、新型結(jié)構(gòu)以及新型成型技術(shù)的發(fā)展。主體結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)為減輕自重選用高比強(qiáng)度材料，除高強(qiáng)鋼、鋁合金、鈦合金等金屬材料外，復(fù)合材料和非金屬材料正得到越來越多的應(yīng)用。動(dòng)力裝置動(dòng)力裝置為實(shí)現(xiàn)超常規(guī)運(yùn)行則選用耐高溫超級(jí)合金材料、陶瓷材料或性能優(yōu)異的復(fù)合材料（金屬基或陶瓷基）等。F新結(jié)構(gòu)、新材料對(duì)焊接/連接技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工程中，焊接/連接技術(shù)的發(fā)展是與飛行器及其動(dòng)力裝置高性能技術(shù)指標(biāo)所決定的選材直接相關(guān)。SU-27SU-27、F-15F-15與與F-22F-2

3、2飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的變遷飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的變遷 鋼、鋁用量減少；鈦、復(fù)合材料用量增加。焊接技術(shù)的突破和創(chuàng)新可以提升飛行器的性能，如：飛機(jī)鈦合金重要承力構(gòu)件的電子束焊接和特種氬弧焊技術(shù)（穿透焊、潛弧焊等）對(duì)于飛行器新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)作出了貢獻(xiàn)；攪拌摩擦焊的發(fā)明極大促進(jìn)高強(qiáng)鋁合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用；陶瓷/金屬的優(yōu)質(zhì)連接可以提高噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力、可靠性和壽命。飛行器制造工程中焊接技術(shù)的比例逐漸擴(kuò)大；飛行器制造工程中焊接技術(shù)的比例逐漸擴(kuò)大；發(fā)動(dòng)機(jī)連接技術(shù)中焊接占有了主導(dǎo)地位。發(fā)動(dòng)機(jī)連接技術(shù)中焊接占有了主導(dǎo)地位。 飛行器制造工程中的連接技術(shù)的變遷飛行器制造工程中的連接技術(shù)的變遷先進(jìn)的焊接/連接技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)飛行器的

4、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)思和新材料選用不可或缺的技術(shù)保障。飛行器上焊接結(jié)構(gòu)的采用已成發(fā)展趨勢(shì)，可顯著減輕結(jié)構(gòu)重量，降低成本，提高性能，延長(zhǎng)壽命。二、行業(yè)中的連接技術(shù)二、行業(yè)中的連接技術(shù) 焊接/連接技術(shù)在20世紀(jì)的后半葉，已發(fā)展成為金屬材料加工制造業(yè)中的一個(gè)重要專業(yè)學(xué)科。過去過去機(jī)械制造業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)量大、面廣的生產(chǎn)是對(duì)高效、低成本焊接技術(shù)（焊接材料、方法及設(shè)備）的主要牽引力。今后今后以飛行器為代表的前沿工程科技，正在呼喚焊接/連接科技的新突破。先進(jìn)的焊接/連接技術(shù)與飛行器制造技術(shù)同步發(fā)展。飛行器制造工程中各類焊接方法的變遷飛行器制造工程中各類焊接方法的變遷 熔焊方法中，弧焊占主導(dǎo)地位，氣焊的比例明顯減小，高能

5、束的比例不斷增大。電子束與激光束相比有更強(qiáng)的穿透能力，在厚板結(jié)構(gòu)的焊接中占優(yōu)勢(shì)。在太空條件下的電子束焊接技術(shù)，可望今后成為我國(guó)載人航天建造空間站的首選。電阻焊搭接的接頭形式不利于減輕結(jié)構(gòu)自重，應(yīng)用范圍縮小。固態(tài)焊（擴(kuò)散焊、超塑成形/擴(kuò)散連接、摩擦焊）則以其獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)，而顯現(xiàn)出蓬勃生機(jī)。釬焊（含擴(kuò)散釬焊）技術(shù)，由于對(duì)基體材料不會(huì)造成像熔焊所帶來的損傷，在一些新型材料、非金屬材料接頭的連接被優(yōu)先選用。在航空飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和生產(chǎn)中，焊接技術(shù)已經(jīng)成為主導(dǎo)工藝方法之一。先進(jìn)的焊接技術(shù)不僅能減輕飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，而且還為航空飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新構(gòu)思提供技術(shù)支持，促進(jìn)航空飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高。1

6、國(guó)外航空飛機(jī)情況航空發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中廣泛采用了各種焊接技術(shù)。焊接結(jié)構(gòu)件在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零部件總數(shù)中所占比例已超過50%，焊接的工作量已占發(fā)動(dòng)機(jī)制造總工時(shí)的10%左右。蘇米格25機(jī)體結(jié)構(gòu)機(jī)體結(jié)構(gòu)的80%（結(jié)構(gòu)重量）是焊接的，焊縫長(zhǎng)達(dá)4000多米，焊點(diǎn)達(dá)到140萬個(gè)。米格27飛機(jī)大量采用了鈦合金材料和焊接技術(shù)（60多項(xiàng)發(fā)明創(chuàng)新），是其保證飛機(jī)性能和減重的決定性因素。機(jī)身整體油箱采用氬弧焊、電子束焊制造的，與鋁合金鉚接油箱相比，減重24%。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，機(jī)翼支承梁鈦合金中央翼翼盒、機(jī)翼盒形梁及整體壁板結(jié)構(gòu)等重要的結(jié)構(gòu)上均采用了焊接技術(shù)，機(jī)身前后梁采用了熱等靜壓鈦合金鑄件的電子束焊接結(jié)構(gòu)。全焊接結(jié)構(gòu)

7、的飛機(jī)，不僅可省掉重達(dá)幾噸的密封件，而且與鉚接相比，焊接過程更易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。2 國(guó)內(nèi)航空飛機(jī)情況國(guó)產(chǎn)飛機(jī)圖譜國(guó)產(chǎn)飛機(jī)圖譜在過去的幾十年間，飛機(jī)制造廠焊接裝備較差，較少采用焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。MD-82飛機(jī)僅導(dǎo)管采用感應(yīng)釬焊、薄板采用TIG焊、電阻點(diǎn)、縫焊外，其余基本無焊接技術(shù)應(yīng)用。 引進(jìn)的米格27生產(chǎn)權(quán)，其機(jī)體的焊接組件部件近千件，涉及的零件近萬件，幾乎遍及整個(gè)飛機(jī)機(jī)體。通過建線及材料國(guó)產(chǎn)化階段的攻關(guān)，對(duì)俄羅斯的焊接技術(shù)逐漸熟悉掌握。采用電子束焊接承力框，不僅焊接接頭的質(zhì)量提高，而且免除反復(fù)機(jī)加工焊接熱處理的過程，明顯提高生產(chǎn)效率和降低成本。國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)通過多個(gè)型號(hào)的實(shí)踐，焊接技術(shù)已取得較大的進(jìn)

8、步，許多新工藝如電子束焊、線性摩擦焊、摩擦焊、自動(dòng)氬弧焊、軌跡氬弧焊和弧焊機(jī)器人、超塑性成形/擴(kuò)散連接、等離子弧焊及低應(yīng)力無變形焊接技術(shù)等均得到了應(yīng)用。但是國(guó)產(chǎn)材料成分及其狀態(tài)的控制以及焊接工藝及其流程尚待完善，以便為設(shè)計(jì)及制造的改進(jìn)提供依據(jù)。大型寬弦風(fēng)扇葉片是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型部件之一，其發(fā)展過程與連接技術(shù)密不可分。三、典型零部件的焊接三、典型零部件的焊接1 大型寬弦風(fēng)扇葉片第一代寬弦無凸臺(tái)的風(fēng)扇葉片是上世紀(jì)80年代研制成功的面板/蜂窩夾芯組成的，用到鈦合金釬焊技術(shù)。第二代寬弦無凸臺(tái)風(fēng)扇葉片為三層鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接葉片。第三代寬弦無凸臺(tái)風(fēng)扇葉片也是鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接。另外，第三代

9、還有金屬基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。葉背、葉盆面板用鈦合金(Ti-6Al-4V)熱軋板材，經(jīng)精鍛或等溫鍛成形；化銑除去污染層，并將面板腐蝕成設(shè)計(jì)要求的氣動(dòng)外形和相應(yīng)的內(nèi)腔；夾芯蜂窩塊用鈦合金箔板輥壓成波紋板，再用電阻焊焊接而成；然后將兩面板和夾芯蜂窩塊采用活性擴(kuò)散焊將其焊成整體結(jié)構(gòu)。葉片的外型面還要在數(shù)控銑床上精加工。第一代第一代第二代第二代以三角形桁架結(jié)構(gòu)取代了蜂窩芯板，并采用三層板超塑成形/擴(kuò)散連接組合成形工藝。中間芯板上按一定圖形噴涂止焊劑；將芯板與兩層面板用氬弧焊焊接縫邊(留有進(jìn)氣口)；將焊好的三層板放入葉片型面的模具內(nèi)，通過充氣進(jìn)行超塑成形，兩層面板在超塑狀態(tài)下進(jìn)行拉伸和扭曲變形，中間芯板延

10、展變形，形成格形結(jié)構(gòu)；取出葉片進(jìn)行表面化銑，數(shù)控加工葉根、葉型邊緣，經(jīng)終檢后得到成品。第三代第三代機(jī)加工成帶肋的兩半片對(duì)稱的扁平葉身；在模具內(nèi)擴(kuò)散連接成一體；超塑成形工藝使葉片成形。最后數(shù)控加工葉根、葉型邊緣，經(jīng)終檢后得到成品。連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料也用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片。這種用超塑成形/擴(kuò)散連接工藝制成的重量輕、剛性好、耐撞擊破壞強(qiáng)度高、減重約14%。整體葉盤（Blisk）將葉片與輪盤制造（或焊接）成一體。無需加工榫頭、榫槽，盤的輪緣徑向高度及厚度和葉片原榫頭部位尺寸可大大減少，減重效果顯著（可減重50%，葉環(huán)結(jié)構(gòu)Bling減重達(dá)100%）；消除了榫齒根部縫隙中的逸流損失；避免了

11、葉片和輪盤裝配不當(dāng)造成的微動(dòng)磨損、裂紋以及鎖片損壞帶來的故障；零件數(shù)大大減少，有利于裝配和平衡?？梢哉f整體葉盤是第四代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的典型新結(jié)構(gòu)之一。整體葉環(huán)是第五代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的典型新結(jié)構(gòu)之一。2 整體葉盤結(jié)構(gòu)整體葉盤的坯料可以是整體的，通過數(shù)控銑削或利用電解加工的方法加工整體葉盤；也可以是分體式焊接結(jié)構(gòu)。分體式焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：分體式焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：分體式焊接葉盤結(jié)構(gòu)可以采用多種焊接方法，熔焊（如電子束焊）、擴(kuò)散焊及線性磨擦焊等。葉片和盤可以是異種或不同狀態(tài)的材料，也可以采用不同質(zhì)量的材料，可以為空心結(jié)構(gòu)，也可以是夾層結(jié)構(gòu)；可以減輕對(duì)毛料制備工藝和設(shè)備的壓力，并有得于節(jié)約原材料和加工工時(shí)，提高

12、質(zhì)量。 傳統(tǒng)起落架選用低合金超高強(qiáng)度鋼整體鍛件結(jié)構(gòu)加工工藝，零件外形加工后進(jìn)行真空熱處理或可控氣氛熱處理，材料利用率只有12.5%-25.0%。采用焊接加工可以提高材料利用率和簡(jiǎn)化工藝、工裝。真空電子束焊接技術(shù)已經(jīng)在起落架的主要受力構(gòu)件獲得應(yīng)用。3 飛機(jī)起落架4 膠接結(jié)構(gòu)5 超大型鏡片3.5m Herschel Space TelescopeGoal to make a segmented, light-weighted, powered SiC mirror joined using brazing technology to overcome processing limitations

13、for monolithic large mirrors. High Specific Stiffness High Thermal stability High Purity Isotropic properties Homogeneous thermal properties Repeatable material properties High Corrosion resistance晶片材料為SiCSintered Silicon Carbide has:Brazeexhibitsflexurestrengthupto300MPaBrazejointistypically25umwideAt10umwide,strengthofjointcomparabletobaseSiCBrazeTechnologyDetails:1）加速焊接新方法、新工藝的應(yīng)用研究，如激光雙光束填絲焊、攪拌摩擦焊、線性摩擦焊、活性劑-氣保護(hù)弧焊等。2）擴(kuò)大電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍，解決高強(qiáng)鈦合金、超高強(qiáng)鋼以及大厚度材料框和盒形梁等結(jié)構(gòu)的焊接難題。3）常規(guī)焊接向數(shù)字化技術(shù)靠攏，提高自適應(yīng)能力，完善各類低應(yīng)力無變形焊接技術(shù)。4）加強(qiáng)鋁鋰合金、鋁鎂硅合金、高溫鈦合金、高強(qiáng)高韌鈦合金，以及超高強(qiáng)鋼的焊接性研究。航空焊接技術(shù)的幾個(gè)發(fā)展方向：航空焊接技術(shù)的幾個(gè)發(fā)展方向：5）掌