高能束流焊接技术的发展及其在航空领域的应用

高能束流焊接技术的发展及其在航空领域的应用

李雪然秦新刚

(天津航空机电有限公司天津300300)

摘要：高能束流焊接技术是指利用高能束流轰击焊件接缝所产生的热量，迅速熔化金属而完成焊接的熔焊方法，具有高焊速、大深宽比、小变形、高效等特点，适合精密焊接，能解决特殊结构和难熔材料的焊接问题，可焊接钢、铝、钛及难熔、易氧化金属。现已用于飞机机身、坦克传动系统等产品的焊接。

关键词：航空领域；高能束流焊接；发展；应用

一、高能束流焊接技术应用及发展趋势

高能束焊接在提高材料利用率、减轻钛合金结构重量、降低成本方面独具优势，这使得以高能束流为热源的先进焊接技术—电子束焊接、激光焊接、激光复合热源焊接技术成为航空整体结构连接制造的发展趋势，应用范围也逐渐扩大。国际先进航空制造公司空客、波音、洛克希德•马丁、Eclipse等在军民机制造中，都相继采用电子束焊接、激光焊接技术作为飞机结构的连接方法。

电子束焊接是制造飞机主、次承力结构件和机翼骨架的必选技术，也是衡量飞机制造水平的一把标尺，如美国F-14战机钛合金中央翼盒、F-22战机后机身钛合金梁、机翼梁、A380的发动机钛合金托架均为电子束焊接。此外，电子束焊接也是航空发动机制造的关键技术之一，如：发动机机匣、压气机整体叶盘、涡轮、燃烧室等部件的焊接。而激光焊接则是实现大尺寸、薄壁机身结构件焊接的优选方案，具有焊接效率高、变形小、接头质量高等优点。如空中客车公司在A380机身壁板上的首次成功应用激光焊接技术，与铆接结构相比，其减重约18%，降低成本约21.4%～24.3%。另外，激光焊接在发动机部件焊接与修复上也有重要应用，激光焊接修复技术利于近净成形，减少裂纹产生，已应用的有航空发动机涡轮叶片、导向叶片和气路封严系统的零部件，如：欧盟第六框架研究项目AROSATEC就开展了压气机定子与叶栅、高压和低压叶片出口与盖板连接，以及涡轮机匣的激光焊接技术研究。美国通用电气公司成功地完成了喷气发动机的导流板和导向叶片的激光焊接组装，有效地解决了镍基合金小型零件激光焊接变形与裂纹等问题。美国霍尼韦尔公司修复的叶片已累计飞行2千万个飞行小时。美国伍德集团公司利用激光粉末合金熔焊技术可以修理过去认为不可修的单晶和DS合金零部件。

随着高能束焊接技术发展，新束源研发方面不断进步，在航空结构制造上发挥的作用也越来越大，如在电子束焊接方面，注重大功率、高可靠性的电子束枪的研制，目前国外电子束焊接设备功率一般大于60kW，最高可达到200kW，加速电压在150kV以上，同时利用先进的高压逆变电源技术提高了高压性能、设备稳定性，降低了噪声；在激光焊接方面，目前，CO2激光和YAG（注）激光这两类激光器的功率增大已达到极限，难以实现大型结构中厚板焊接。以盘式激光和光纤激光为代表的高亮度大功率激光技术，尤其是光纤激光，束流品质高，其功率也已超过50kW，且还有提高潜力，可实现薄板高效焊接，20mm以上厚板的高质量焊接，和现场移动焊接，因此，光纤激光焊接大有替代CO2激光和YAG激光之势。

二、高能束流焊接技术在我国航空领域的研究与应用

（一）电子束焊接

在航空领域，电子束焊接技术的应用使发动机中的许多减重设计及异种材料的焊接成为现实，大大提高了飞机、发动机的性能和制造水平，同时为许多整体加工难以实现的零件制造提供了一种加工途径。随着现代新型发动机研制的需求增多，电子束焊接在该领域的应用日益广泛，并显示出很大的优越性。西安航空发动机有限公司在航空发动机低压风扇机匣的制造过程中，为了减轻发动机的重量，新型发动机风扇机匣采用钛合金制造，采用机匣外环与静子叶片电子束焊接的工艺，可以实现数控编程一次完成焊接，从而简化了制造工艺，生产效率高，焊接质量好。某型发动机的一、二、三级风扇机匣均采用焊接制造工艺，分别将46、59、54个叶片焊接到机匣上，采用焊接结构大大减轻了风扇的重量。在燃气涡轮部分，盘轴采用电子束焊连接是一种最简单的不可拆卸结构，中间没有连接件，重量最轻。但由于涡轮部分为承力转动件，在工作过程中有很大的扭转载荷，焊接须确保盘轴的同心度和跳动要求，因此对焊接接头质量要求十分苛刻。国内在某型靶机的发动机中就采用电子束焊接工艺，将1Cr11Ni2W2MoV材料的涡轮轴和K418材料的精铸叶盘焊接为一体。采用焊接结构件较整体件加工降低了机加工难度，同时节约了材料，经济性好。

多年来，高能束流重点实验室对诸如铝合金、钛合金、不锈钢、超高强钢及高温合金的电子束焊接技术均进行了较为系统的研究，并在国内率先开展了大厚度钛合金的电子束焊接技术的研究。目前，已基本掌握航空常用材料的电子束焊接工艺，应用于航空多种型号重要构件的焊接，如压气机转子、中介机匣、腹鳍、飞机承力框梁。九五期间开始将电子束焊接技术应用于大厚度钛合金结构的研制；十五期间已将电子束焊接技术应用于钛合金承力框的研制。该框采用国产TA15钛合金，由9个零件10条电子束焊缝拼焊而成，电子束焊缝最大焊接深度94mm，是国内最大的拼焊框。此外，某型飞机国产化工程中第42钛合金承力框也已采用电子束焊接拼接加数控加工的方法研制。

高能束流重点实验室还在国内率先研制了加速电压从20kV到150kV的低压、中压和高压电子束焊接设备，形成了电子束焊接设备开发和系列化生产能力，生产的电子束焊机已广泛应用到膜盒、汽车齿轮、航空发动机和飞机等领域。目前实验室正在开展大功率电子枪、高品质高压电源技术研究，提高电子束焊接能力，并试图在超大真空室、大功率电子束焊接方面开展研究，满足大型、大厚度结构件电子束焊接的新需求。

（二）激光焊接

我国在20世纪80年代就开始了激光焊接技术研究，通过多年的努力，已取得了长足的进步，如成功实现汽车板坯激光拼焊、管道焊接。近年来，针对激光焊接铝合金和钛合金开展了基础研究，已将激光焊接技术应用于飞机结构和飞机发动机结构制造；另外，还针对性开展了激光填丝焊和激光电弧复合焊等激光焊接新技术研究。高能束流重点实验室已建立起一套拥有4kW快速轴流CO2激光的大尺寸三维焊接系统，以及一套以4.5kWYAG激光为热源的机器人柔性自动焊接系统，这两套系统具备多路气体保护、多功能的焊接夹具、填丝装置、双光点装置等，可以实现2米以上焊缝的高质量焊接，焊接厚度为0.2~5mm。在发动机焊接结构完整性评定技术方面的研究成果也达到国际先进水平，已建立起部分数据库，为航空器的设计提供了基础数据。

近年来激光焊接技术在我国飞机和发动机钛合金薄壁整体化结构焊接制造中已取得了突破性应用。激光焊技术已经应用于某型飞机钛合金腹鳍焊接、发动机转接段钛合金结构焊接，并批量生产，此外，还用于钛合金中央翼上壁板对接接头和钛合金波纹梁T型接头的焊接制造。

（三）等离子焊接

高能束流加工技术重点实验主要研究国防领域常用的不锈钢、钛合金、高强钢及耐热合金等材料的等离子弧焊接技术，解决了等离子弧焊接过程稳定性差、操作复杂等技术难题。在脉冲等离子弧焊接工艺的研究中，采用一脉一孔的方式控制焊缝的热输入，进而控制焊缝成形，取得了预期的效果。针对某型发动机燃烧室外套的模拟件进行了焊接工艺性试验，焊缝质量好，接头的拉伸强度达到母材的95%以上，疲劳寿命大大提高，X射线探伤无内部缺陷。

结语：高能束流焊接技术在满足飞行器关键构件大减重、长寿命、高可靠和低成本等方面独具优势，对航空产品的发展起到了重要的促进作用。

参考文献：

[1]张岭海，杨飞鹏.小议我国高能束流焊接技术的发展现状及领域[期刊论文]-黑龙江科技信息.2007(24).

[2]王伟，张引强，刘道庆.谈飞机结构装配工艺中几个细节问题的完善[期刊论文]-航空制造技术2011(09).