航空焊接技術(shù)——飛行夢想“連接器”

　　焊接技術(shù)是先進(jìn)制造行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，是材料形成零件和零件成為產(chǎn)品的橋梁。焊接質(zhì)量直接影響著產(chǎn)品的性能、壽命和安全。焊接技術(shù)在解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造、簡化材料成形工藝和降低制造成本等方面發(fā)揮著重要作用，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。焊接技術(shù)通常應(yīng)用于航空、航天、船舶、石油、化工、汽車、機(jī)械、電子等領(lǐng)域，其中，焊接技術(shù)在航空工業(yè)的應(yīng)用尤其廣泛，被喻為編織飛行夢想的“連接器”。

　　中航工業(yè)北京航空材料研究院（以下簡稱“航材院”）是我國最早進(jìn)行焊接技術(shù)研究的航空科研院所之一。經(jīng)過57年的發(fā)展，航材院在焊接方面已形成航空新材料的焊接性研究與焊接接頭性能評(píng)價(jià)技術(shù)、新型高溫結(jié)構(gòu)材料的釬焊與擴(kuò)散焊技術(shù)、航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接制造技術(shù)、特種焊接材料制備技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件焊接修復(fù)再利用及可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)等五大核心研究方向，在我國航空焊接領(lǐng)域綜合實(shí)力處于領(lǐng)先地位，已成為中國航空焊接技術(shù)的“夢之隊(duì)”。

　　航空釬焊擴(kuò)散焊技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者

　　釬焊和擴(kuò)散焊技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的先進(jìn)焊接技術(shù)之一。為大力發(fā)展釬焊擴(kuò)散焊技術(shù)，航材院專門設(shè)立了“釬焊擴(kuò)散焊研究與工程技術(shù)中心”。這是一支優(yōu)秀的科研團(tuán)隊(duì)，代表著國內(nèi)釬焊擴(kuò)散焊技術(shù)的一流水平，尤其是在先進(jìn)鑄造高溫合金及葉片的釬焊與擴(kuò)散焊、航空發(fā)動(dòng)機(jī)失效渦輪葉片的釬焊修復(fù)與再利用、復(fù)雜鋁合金構(gòu)件的精密釬焊、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的高溫釬焊以及異種材料的釬焊等航空新材料、新結(jié)構(gòu)釬焊擴(kuò)散焊技術(shù)領(lǐng)域形成了獨(dú)特的優(yōu)勢。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金葉片的釬焊技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)之一。“核心技術(shù)買不來”。航材院釬焊擴(kuò)散焊研究與工程技術(shù)中心通過自主研制攻關(guān)，在先進(jìn)鑄造高溫合金葉片的釬焊擴(kuò)散焊技術(shù)方面取得突破進(jìn)展，研發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)DZ125高溫合金高壓渦輪工作葉片焊接技術(shù)已經(jīng)服務(wù)于航空工廠。為滿足第二代單晶高溫合金葉片的型號(hào)研制需求，在無任何經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，該中心對DD6單晶高溫合金的釬焊和過渡液相擴(kuò)散焊工藝進(jìn)行了深入系統(tǒng)的自主研究，獲得了高性能的焊接接頭，僅用兩年就突破了焊接近縫區(qū)再結(jié)晶這一國外用了五年時(shí)間才解決的技術(shù)難題，避免了葉片材料的巨大浪費(fèi)，為我國先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶渦輪葉片的研制做出了貢獻(xiàn)。目前，航材院在先進(jìn)鑄造高溫合金葉片釬焊技術(shù)領(lǐng)域處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，釬焊技術(shù)基礎(chǔ)研究工作也日益受到國內(nèi)同行的認(rèn)可，僅2012年度就有兩項(xiàng)關(guān)于釬焊技術(shù)的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目獲得資助。

　　縫陣天線是機(jī)械掃描天線中的先進(jìn)結(jié)構(gòu)形式，是雷達(dá)最關(guān)鍵的精密部件之一，堪比雷達(dá)的“眼睛”。雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈用天線一般采用多層結(jié)構(gòu)，其制造加工需要疊層組裝精密釬焊技術(shù)。航材院釬焊擴(kuò)散焊研究與工程技術(shù)中心通過15年的技術(shù)攻關(guān)，突破了釬料選擇及添加、焊著率控制、焊接變形控制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并形成小批量生產(chǎn)能力，自主研發(fā)出一整套多層鋁合金平板縫陣天線的真空精密釬焊關(guān)鍵技術(shù)，該項(xiàng)目被鑒定為“技術(shù)水平屬國內(nèi)領(lǐng)先，達(dá)到了國際先進(jìn)水平”，該技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天以及民用等多個(gè)領(lǐng)域。

　　航空鈦合金電子束焊接的前行者

　　近些年來根據(jù)先進(jìn)航空鈦合金的研制進(jìn)展，航材院開展了大量的鈦合金電子束焊接技術(shù)研究，在鈦合金焊接質(zhì)量控制和接頭組織性能技術(shù)等方面處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。焊接研制的某型發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金、高溫合金轉(zhuǎn)子部件已通過試車考核并進(jìn)入批產(chǎn)階段。通過在航空裝備制造中采用真空電子束焊接技術(shù)，使零件的制造難度降低約40%～50%，結(jié)構(gòu)零件的總重量減少25%～40%。同時(shí)，為滿足TC21損傷容限型鈦合金飛機(jī)關(guān)鍵承力部件的設(shè)計(jì)要求，航材院通過科研攻關(guān)，突破了TC21鈦合金60mm厚截面電子束焊縫質(zhì)量控制技術(shù)，消除了大厚度截面深熔電子束焊縫氣孔、空洞、未熔合及根部釘尖等焊接缺陷，形成了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)低應(yīng)力、小變形電子束焊接制造關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電子束焊接接頭綜合性能與母材水平相當(dāng)，在國內(nèi)首次成功實(shí)現(xiàn)大厚度TC21損傷容限型鈦合金承力框結(jié)構(gòu)的電子束焊接制造，為TC21鈦合金成功應(yīng)用于飛機(jī)大型安全壽命級(jí)關(guān)鍵承力部件提供了穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵焊接技術(shù)。此外，航材院還研究了大晶粒鈮材電子束焊接技術(shù)，保證了超導(dǎo)腔復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)部質(zhì)量和背面成形。

　　特種焊接材料制備技術(shù)的創(chuàng)新者

　　多年來，航材院一直致力于特種焊接材料制備技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。通過科研攻關(guān)，創(chuàng)立了適用于16Co14Ni10Cr2MoE超高強(qiáng)度鋼的自動(dòng)氬弧焊工藝技術(shù)，研制了與基體材料強(qiáng)度相匹配的填充焊絲。通過層間溫度、線能量、起弧相位和軸向收縮等精確控制和焊接缺陷綜合控制，解決了零件多層焊接頭組織、強(qiáng)度和韌性及焊接變形控制難題，使多層焊質(zhì)量穩(wěn)定地達(dá)到航標(biāo)一級(jí)焊縫要求。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于某飛機(jī)超高強(qiáng)度鋼平尾大軸的焊接生產(chǎn)線。同時(shí)，研制出含Mo和稀土元素的Ni-Co-Fe-Cr-Al-Nb系合金抗焊接裂紋焊絲，解決了低膨脹GH783合金裂紋防止和接頭性能保證技術(shù)關(guān)鍵，為先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)低膨脹合金環(huán)形件的制造提供了焊接技術(shù)儲(chǔ)備。航材院研究的鋁合金自動(dòng)弧焊高質(zhì)量控制技術(shù)還被應(yīng)用于“神舟”系列飛船的焊接器件制造。

　　在焊接材料的研制和應(yīng)用研究方面，航材院實(shí)現(xiàn)了我國焊接材料從仿制到創(chuàng)新、從少量焊料種類到初步建立起航空焊接材料體系的重大跨越，自主研制的焊接材料基本覆蓋鋁合金、銅合金、不銹鋼、鈦合金、鑄造和變形高溫合金、鎳鋁系和鈦鋁系金屬間化合物、陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料。目前航材院是航空焊接材料（電焊條、焊絲、鈦基合金釬料、鎳基高溫釬料、鈦合金鉚釘絲等）的定點(diǎn)供貨單位，供應(yīng)量可以在幾千克至幾噸的量級(jí)，滿足了在役型號(hào)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的焊接材料批產(chǎn)需求，并根據(jù)新型號(hào)的設(shè)計(jì)需求，及時(shí)研制滿足航空及其它軍民用特殊用途的各類焊接材料。

　　航空焊接修復(fù)與再利用的引領(lǐng)者

　　航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱端部件的工作條件日趨苛刻，因此它們經(jīng)歷一個(gè)使用周期后，往往會(huì)出現(xiàn)裂紋、燒蝕、變形、磨損等缺陷而失效。這就需要對失效的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵熱端部件進(jìn)行延壽焊接修復(fù)。焊接修復(fù)與再利用技術(shù)是一個(gè)極具產(chǎn)業(yè)化前景的方向，用焊接修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的成本是造一個(gè)新部件的10%～20%，而且比制造新部件明顯節(jié)省生產(chǎn)周期，另外，焊接修復(fù)技術(shù)可節(jié)約Ni、Co、Cr、W、Mo、Re等金屬原材料。

　　航材院自“九五”起開始自主研究焊接修復(fù)技術(shù)，系統(tǒng)攻克了風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片、渦輪工作葉片、渦輪導(dǎo)向葉片、整體導(dǎo)向器、機(jī)匣等部件的裂紋、磨損、燒蝕、打傷等缺陷的釬焊修復(fù)、熔焊修復(fù)技術(shù)，并建立起焊接修復(fù)可靠性評(píng)估技術(shù)。各類試修部件通過試車考核，獲得使用方的高度評(píng)價(jià)。目前已經(jīng)掌握了9個(gè)型號(hào)、30余類零件的焊接修復(fù)技術(shù)，共修復(fù)零件10000余件，均裝機(jī)使用。而且經(jīng)過實(shí)際飛行驗(yàn)證，相關(guān)焊接修復(fù)部件滿足一個(gè)翻修周期要求，而且有的已經(jīng)延長飛行壽命超過400小時(shí)。

　　中國航空焊接技術(shù)的“夢之隊(duì)”

　　經(jīng)過長期的發(fā)展，航材院逐漸確立了我國航空焊接技術(shù)的領(lǐng)先地位，具有完備的焊接軟硬件技術(shù)條件。目前設(shè)有“釬焊擴(kuò)散焊研究與工程技術(shù)中心”和“熔焊與特種焊”專業(yè)組，擁有先進(jìn)的真空釬焊設(shè)備、真空和多氣氛擴(kuò)散焊設(shè)備、中壓和高壓電子束焊機(jī)、6kW光纖激光器、慣性摩擦焊機(jī)、電阻焊設(shè)備、自動(dòng)弧焊機(jī)、焊接機(jī)器人、焊接模擬試驗(yàn)機(jī)等先進(jìn)焊接設(shè)備，并建成航空電焊條、焊絲、釬焊料的全套生產(chǎn)線，以及釬焊修復(fù)和熔焊修復(fù)兩條焊接修復(fù)生產(chǎn)線。航材院已經(jīng)發(fā)展成為航空特種焊接材料研制和定點(diǎn)供應(yīng)商，是航空焊接技能人員培訓(xùn)和資格認(rèn)證工作定點(diǎn)單位，是中國焊接學(xué)會(huì)釬焊及特種連接專委會(huì)主任委員單位和秘書處掛靠單位，也是航空焊接工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)編制的主要負(fù)責(zé)單位。

　　航材院在焊接領(lǐng)域具有雄厚的技術(shù)積淀。僅最近6年來，針對特種焊接材料和焊接工藝方法，就申報(bào)了國家或國防發(fā)明專利66項(xiàng)，其中31項(xiàng)已經(jīng)獲得授權(quán)，并獲得中航工業(yè)集團(tuán)公司級(jí)別及以上科技獎(jiǎng)勵(lì)10項(xiàng)。除此之外，還先后出版了《航空釬焊技術(shù)》、《先進(jìn)航空材料焊接技術(shù)》等焊接技術(shù)方面的理論專著，得到航空、航天焊接界的廣泛好評(píng)。

　　為了滿足新一代航空航天武器裝備的制造技術(shù)需求，航材院著眼未來，提前布局，重點(diǎn)解決輕質(zhì)、耐高溫結(jié)構(gòu)材料（如高性能鈦合金、鈦基復(fù)合材料、鈦鋁金屬間化合物、先進(jìn)單晶高溫合金、高溫陶瓷材料以及超高溫陶瓷基復(fù)合材料）的焊接技術(shù)問題，另一方面，大力發(fā)展焊接新技術(shù)，以解決常規(guī)焊接方法難以解決的技術(shù)難題。