材料连接技术9.

1、材料连接技术材料连接技术 Materials Welding and Joining Techniques 赵兴科赵兴科 课程编号：302706 第三章第三章 典型行业中的连接技术典型行业中的连接技术 3-1 航天航空行业航天航空行业 3-2 汽车工业汽车工业 3-3 造船业造船业 3.1 航天航空中的连接技术航天航空中的连接技术 行业的特点行业的特点 行业中连接技术行业中连接技术 典型零部件的连接典型零部件的连接 一、航空航天行业特点一、航空航天行业特点 航空航天行业满足了人类利用技术克服距离、探索 自然的愿望。 F努力制造出更快、更轻、更强的各类飞行器。努力制造出更快、更轻、更强的各类飞行

2、器。 飞行器（飞机、运载火箭、空间站等）通常包括 两大部分：主体结构和动力装置。 为了实现更快、更轻、更强更快、更轻、更强的技术目标，促进了 新型材料、新型结构以及新型成型技术的发展。 主体结构主体结构为减轻自重选用高比强度材料，除高强钢、 铝合金、钛合金等金属材料外，复合材料和非金属 材料正得到越来越多的应用。 动力装置动力装置为实现超常规运行则选用耐高温超级合金 材料、陶瓷材料或性能优异的复合材料（金属基或 陶瓷基）等。 F新结构、新材料对焊接/连接技术提出了严峻的挑战。 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。 S

3、U-27SU-27、F-15F-15与与F-22F-22飞机结构材料的变迁飞机结构材料的变迁 钢、铝用量减少； 钛、复合材料用量增加。 焊接技术的突破和创新可以提升飞行器的性能，如： 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； 搅拌摩擦焊的发明极大促进高强铝合金在飞机结构 上的应用； 陶瓷/金属的优质连接可以提高喷气发动机的动力、 可靠性和寿命。 飞行器制造工程中焊接技术的比例逐渐扩大；飞行器制造工程中焊接技术的比例逐渐扩大； 发动机连接技术中焊接占有了主导地位。发动机连接技术中焊接占有了主导地位。 飞行器制造工程中的连接技术

4、的变迁飞行器制造工程中的连接技术的变迁 先进的焊接/连接技术已成为实现飞行器的新结构 设计构思和新材料选用不可或缺的技术保障。 飞行器上焊接结构的采用已成发展趋势，可显著 减轻结构重量，降低成本，提高性能，延长寿命。 二、行业中的连接技术二、行业中的连接技术 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。 过去过去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。 今后今后以飞行器为代表的前沿工程科技，正在呼 唤焊接/连接科技的新突破。 先进的焊接/连接技术与飞行器制造技术同步发展。 飞行器制造工程中各类

5、焊接方法的变迁飞行器制造工程中各类焊接方法的变迁 熔焊方法中，弧焊占主导地位，气焊的比例明显减小， 高能束的比例不断增大。 电子束与激光束相比有更强的穿透能力，在厚板结构的 焊接中占优势。在太空条件下的电子束焊接技术，可望 今后成为我国载人航天建造空间站的首选。 电阻焊搭接的接头形式不利于减轻结构自重，应用 范围缩小。 固态焊（扩散焊、超塑成形/扩散连接、摩擦焊） 则以其独具的优势，而显现出蓬勃生机。 钎焊（含扩散钎焊）技术，由于对基体材料不会造 成像熔焊所带来的损伤，在一些新型材料、非金属 材料接头的连接被优先选用。 在航空飞机、发动机的研制和生产中，焊接技术 已经成为主导工艺方法之一。 先

6、进的焊接技术不仅能减轻飞机、发动机的重量， 而且还为航空飞机、发动机结构设计新构思提供 技术支持，促进航空飞机、发动机性能的提高。 1 国外航空飞机情况 航空发动机航空发动机结构中广泛采用了各种焊接技术。 焊接结构件在喷气发动机零部件总数中所占 比例已超过50%，焊接的工作量已占发动机 制造总工时的10%左右。 苏米格25机体结构机体结构的80%（结构重量）是焊接的， 焊缝长达4000多米，焊点达到140万个。 米格27飞机大量采用了钛合金材料和焊接技术（60 多项发明创新），是其保证飞机性能和减重的决定 性因素。 机身整体油箱采用氩弧焊、电子束焊制造的，与铝 合金铆接油箱相比，减重24%。

7、在飞机结构中，机翼支承梁钛合金中央翼翼盒、 机翼盒形梁及整体壁板结构等重要的结构上均采 用了焊接技术，机身前后梁采用了热等静压钛合 金铸件的电子束焊接结构。 全焊接结构的飞机，不仅可省掉重达几吨的密封件， 而且与铆接相比，焊接过程更易于实现自动化。 2 国内航空飞机情况 国产飞机图谱国产飞机图谱 在过去的几十年间，飞机制造厂焊接装备较差，较 少采用焊接结构设计。 MD-82飞机仅导管采用感应钎焊、薄板采用TIG焊、 电阻点、缝焊外，其余基本无焊接技术应用。 引进的米格27生产权，其机体的焊接组件部件近千 件，涉及的零件近万件，几乎遍及整个飞机机体。 通过建线及材料国产化阶段的攻关，对俄罗斯的

8、焊接技术逐渐熟悉掌握。 采用电子束焊接承力框，不仅焊接接头的质量提高， 而且免除反复机加工焊接热处理的过程，明显 提高生产效率和降低成本。 国内发动机行业通过多个型号的实践，焊接技术 已取得较大的进步，许多新工艺如电子束焊、线 性摩擦焊、摩擦焊、自动氩弧焊、轨迹氩弧焊和 弧焊机器人、超塑性成形/扩散连接、等离子弧焊 及低应力无变形焊接技术等均得到了应用。 但是国产材料成分及其状态的控制以及焊接工艺 及其流程尚待完善，以便为设计及制造的改进提 供依据。 大型宽弦风扇叶片是先进航空发动机典型部件之一， 其发展过程与连接技术密不可分。 三、典型零部件的焊接三、典型零部件的焊接 1 大型宽弦风扇叶片

9、第一代宽弦无凸台的风扇叶片是上世纪80年代研 制成功的面板/蜂窝夹芯组成的，用到钛合金钎焊 技术。 第二代宽弦无凸台风扇叶片为三层钛合金超塑成 形/扩散连接叶片。 第三代宽弦无凸台风扇叶片也是钛合金超塑成形/ 扩散连接。另外，第三代还有金属基复合材料风扇 叶片。 叶背、叶盆面板用钛合金(Ti-6Al-4V)热轧板材，经精锻或等温 锻成形；化铣除去污染层，并将面板腐蚀成设计要求的气动外 形和相应的内腔；夹芯蜂窝块用钛合金箔板辊压成波纹板，再 用电阻焊焊接而成；然后将两面板和夹芯蜂窝块采用活性扩散 焊将其焊成整体结构。 叶片的外型面还要在数控铣床上精加工。 第一代第一代 第二代第二代 以三角形桁架

10、结构取代了蜂窝芯板，并 采用三层板超塑成形/扩散连接组合成形 工艺。 中间芯板上按一定图形喷涂止焊剂；将 芯板与两层面板用氩弧焊焊接缝边(留有 进气口)；将焊好的三层板放入叶片型面 的模具内，通过充气进行超塑成形，两 层面板在超塑状态下进行拉伸和扭曲变 形，中间芯板延展变形，形成格形结构； 取出叶片进行表面化铣，数控加工叶根、 叶型边缘，经终检后得到成品。 第三代第三代 机加工成带肋的两半片对称的扁平叶身；在模 具内扩散连接成一体；超塑成形工艺使叶片成 形。最后数控加工叶根、叶型边缘，经终检后 得到成品。 连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料也用于制造 发动机风扇叶片。 这种用超塑成形/扩散连接工

11、艺制成的重量轻、刚 性好、耐撞击破坏强度高、减重约14%。 整体叶盘（Blisk）将叶片与轮盘制造（或焊接）成 一体。无需加工榫头、榫槽，盘的轮缘径向高度及 厚度和叶片原榫头部位尺寸可大大减少，减重效果 显著（可减重50%，叶环结构Bling减重达100%）； 消除了榫齿根部缝隙中的逸流损失；避免了叶片和 轮盘装配不当造成的微动磨损、裂纹以及锁片损坏 带来的故障；零件数大大减少，有利于装配和平衡。 可以说整体叶盘是第四代喷气发动机的典型新结构 之一。整体叶环是第五代喷气发动机的典型新结构 之一。 2 整体叶盘结构 整体叶盘的坯料可以是整体的，通过数控铣削或利用 电解加工的方法加工整体叶盘；也可

12、以是分体式焊接 结构。 分体式焊接结构的优点是：分体式焊接结构的优点是： 分体式焊接叶盘结构可以采用多种焊接方法，熔焊 （如电子束焊）、扩散焊及线性磨擦焊等。 叶片和盘可以是异种或不同状态的材料，也 可以采用不同质量的材料，可以为空心结构， 也可以是夹层结构； 可以减轻对毛料制备工艺和设备的压力，并 有得于节约原材料和加工工时，提高质量。 传统起落架选用低合金超高强度钢整体锻件结构 加工工艺，零件外形加工后进行真空热处理或可 控气氛热处理，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简化工艺、 工装。真空电子束焊接技术已经在起落架的主要 受力构件获得应用。 3 飞机

13、起落架 4 胶接结构 5 超大型镜片 3.5m Herschel Space Telescope Goal to make a segmented, light-weighted, powered SiC mirror joined using brazing technology to overcome processing limitations for monolithic large mirrors. High Specific Stiffness High Thermal stability High Purity Isotropic properties Homogeneous t

14、hermal properties Repeatable material properties High Corrosion resistance 晶片材料为SiC Sintered Silicon Carbide has: Brazeexhibitsflexurestrengthupto 300MPa Brazejointistypically25umwide At10umwide,strengthofjoint comparabletobaseSiC BrazeTechnologyDetails: 1）加速焊接新方法、新工艺的应用研究，如激光双 光束填丝焊、搅拌摩擦焊、线性摩擦焊、活性剂- 气保护弧焊等。 2）扩大电子束焊接技术的应用范围，解决高强钛合金、 超高强钢以及大厚度材料框和盒形梁等结构的焊接 难题。 3）常规焊接向数字化技术靠拢，提高自适应能力， 完善各类低应力无变形焊接技术。 4）加强铝锂合金、铝镁硅合金、高温钛合金、高强 高韧钛合金，以及超高强钢的焊接性研究。 航空焊接技术的几个发展方向：航空焊接技术的几个发展方向： 5）掌握