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、一、航空航天行业特点航空航天行业特点 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。 年代 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

4、接技术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、行业中的二、行业中的连接技术连接技术 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

5、中各类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

6、。 先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

8、斯的 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、三、典型零部件的焊接典型零部件的焊接 1 大型宽弦风扇

9、叶片 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

10、形桁架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

11、连接工艺制成的重量轻、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

12、；也可以是分体式焊接 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

13、 飞机起落架 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 Homogeneou

14、s thermal 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