60年間

從熱加工研究室的一個焊接小組

到專業范圍涵蓋

先進飛行器及其動力裝置新型號

設計與制造特需的和關鍵的焊接/連接技術

我們的焊接技術

已成長為一棵參天大樹

成為新型飛行器發展的

技術推動力

航空焊接技術“全家福”

帶你了解我們的“特異本領”

這些“特異本領”

能讓我們

干別人干不了的活

解決別人解決不了的難題

01

電阻焊

 

電阻焊是將被焊零件裝配成搭接接頭，壓緊于兩電極之間，利用電流流經零件接觸面及鄰近區域產生的電阻熱將其加熱到熔化或塑性狀態，在電極壓力下形成金屬連接的一種方法。電阻焊方法主要有四種，即點焊、縫焊、凸焊、對焊，其中點焊和縫焊最為常見。電阻焊熔核形成時，始終被塑性環包圍，熔化金屬與空氣隔絕，冶金過程簡單，加熱時間短且熱量集中，變形與應力也小，通常無需熱處理工序，不需要填充金屬，成本低，生產效率高。

在飛機制造中，大到機身蒙皮、隔框、艙門、油箱及副油箱，小至膜盒、波紋管及電器元件的接點；在發動機制造中，火焰簡、加力燃燒室、壓氣機靜子葉片、發動機軸承座等，均使用了點焊和縫焊。對焊在我國航空生產中僅用于發動機環形安裝邊及排氣門的焊接，國外還廣泛用于起落架生產。上述構件材料涉及低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、高溫合金、鋁合金、銅合金、鈦合金，以及雙金屬板等。它們均可以獲得滿意的電阻焊接頭。

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02

氣體保護焊與自動化

 

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氣體保護焊是將被焊零件接頭部位加熱到熔化狀態，經過熔池冷卻、凝固形成焊縫的焊接方法，具體分為手工鎢極氬弧焊、自動鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護焊等，其中，鎢極氬弧焊（TIG焊）是航空工業中應用最為廣泛的氣體保護焊接方法。

 

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TIG焊采用鎢棒作為非熔化電極，利用外加氣體作為保護介質，電弧和熔池的可見性好，操作方便，沒有熔渣或熔渣很少，不需焊后清渣，適于各種位置焊接，可以焊接幾乎所有的金屬材料。制造院傳承和拓展了TIG焊的傳統優勢，針對各種牌號鈦合金、鋁合金、高溫合金和結構鋼等材料開展焊接工藝研究，開發了低應力無變形焊接、活性焊劑焊接、自動化焊接系統等焊接質量控制技術，以實現構件的高質量、高效率、無變形焊接，形成了航空薄壁焊接構件制造的關鍵技術。

 

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03

擴散焊

 

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擴散焊是將待焊工件置于真空和保護氣體環境中加熱和保溫，在一定溫度和壓力作用下，工件焊接面緊密接觸發生微觀塑性變形，使界面微觀孔洞逐漸減小直至消失，界面兩邊的原子發生跨界面的原子擴散，從而形成冶金連接的牢固接頭的焊接方法。擴散焊可分為無中間層的擴散焊和有中間層的擴散焊，具有如下優點：基體不過熱、不熔化，可以在不降低被焊接材料性能的情況下焊接幾乎所有的金屬和非金屬，特別適合于熔焊和其他方法難以焊接的材料；接頭質量好，其顯微組織和性能接近或相同，焊接參數易于精確控制，批量生產時接頭質量和性能穩定；成形精度高、變形小，焊后的工件只需進行少量去除余量機械加工或不進行機械加工。

1970年，制造院在首次在國內完成了擴散焊接試驗，經過幾十年的發展，擴散焊技術廣泛應用于高溫合金、鈦合金、粉末合金、高強鎢鉬合金和異種材料間的高性能連接。已經應用于航空航天領零部件的制造，例如進氣機匣組件鈦合金空心支板、鈦合金離心葉輪、導彈用鈦合金空心舵面、鈦合金/不銹鋼網過濾器、不銹鋼/銅合金風洞喉道件、鋁/不銹鋼接頭、伺服閥射流盤組件等。

04

TLP擴散焊

 

 

由于航空、航天、空間技術以及微電子技術的發展，單晶材料、金屬間化合物、復合材料和異種材料連接結構得到了較大發展，這些材料或結構使用一般的連接方法難以達到理想效果，TLP連接技術滿足了這些難連接材料的連接需要，因而在上述領域中具有廣闊的工程應用前景。TLP技術綜合了固相擴散連接和高溫釬焊的優點，避免了熔焊過程中結晶過程的不可控性和固相擴散連接引起的形狀尺寸變形及對于設備和工藝過程的苛刻要求，可以獲得組織性能與母材相同或相近的高強度接頭，同時保證復雜形狀構件的形狀尺寸精度。

近年來，我國開展了定向凝固高溫合金和單晶高溫合金等材料的過渡液相擴散焊技術研究，實現了某型雙聯定向合金葉片的焊接批生產，開展了多個型號發動機單晶雙聯導向葉片TLP擴散焊接的可行性研究。在多晶高溫合金方面，實現了多種高溫合金薄壁換熱結構的試制和生產。

05

金屬蜂窩壁板結構釬焊

 

 

金屬蜂窩結構起源于仿生學,模仿蜜蜂蜂巢結構，通過釬焊或擴散焊方式將制備好的蜂窩結構和兩層蒙皮連接起來形成的整體壁板結構，是一種集高強度、高剛度，耐高溫、耐腐蝕、隔熱、消音、減振等多功能于一體的輕量化結構，在航空航天、船舶、導彈等領域應用廣泛。

與傳統加筋組合壁板對比，在相同輪廓尺寸結構、同等載荷要求的情況下，蜂窩夾層結構可減重15%以上，零件數量只有傳統加筋結構的1/3，機械連接件數量減少了70%，從而減少了因連接裝配開孔對結構產生的削弱和初始缺陷，有效提高了蒙皮的表面質量，同時減少部裝和隱身維護工作量60%以上。采用金屬蜂窩壁板結構整體剛性、強度得到了大幅提高，抗沖擊能力得到極大的加強，是一種高效隔熱結構，對降低飛機的紅外特征有積極意義。20世紀70年代，我國開始針對高剛度、輕質蜂窩壁板結構工程應用開展了探索研究，近10年來針對鈦合金、不銹鋼、高溫合金蜂窩芯體制造、加工，蜂窩壁板結構釬焊，無損檢測，性能評估等開展了系統研究，突破了復雜型面蜂窩芯體制備、加工工藝，大面積復雜型面金屬蜂窩夾層結構釬焊質量控制、鈦合金蜂窩壁板結構釬焊接頭脆性及消音蜂窩夾層壁板結構釬焊過程中消音孔保護及焊合率控制等關鍵技術，建立了金屬蜂窩壁板結構生產線，形成了鈦合金蜂窩壁板結構制造技術相關標準、體系，建立了性能數據庫。制造院于2010年起先后實現了不銹鋼、鈦合金、高溫合金等材料金屬蜂窩壁板結構產品（包括口蓋、防火墻、舵翼面、消音聲襯）在先進戰斗機、大型運輸機、高速飛行器上的成功應用，極大地提升了我國大型輕量化結構的綜合制造技術水平。

06

電子束焊

 

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1948年，德國Steigarwald博士在觀察電子顯微鏡時發現電子束可實現金屬連接的現象，10年之后他利用研制的電子束焊機實現了5mm厚鋯錫合金焊接，制造院在20世紀60年代初便開始了電子束焊接工藝及設備的研發工作。電子束焊接原理是在真空環境下利用電子槍陰極燈絲發射電子，經加速、匯聚獲得高能量密度電子束；高速電子束轟擊工件，使電子動能轉化為熱能熔化金屬，通過工件或電子槍移動來實現金屬材料的焊接。

 

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電子束源具有能量密度高、變形小和質量高等優點，能應用到幾乎所有工業領域。制造院早期將電子束焊接應用于發動機壓氣機、燃燒室、渦輪等核心零部件制造，積累了豐富的鈦合金、高溫合金及不銹鋼等材料結構的焊接經驗和數據；后期將電子束焊接應用于飛機滑軌、承力框、起落架、唇口、機尾罩、折疊肋、攔阻鉤等零部件制造，其中如大厚度鈦合金承力框電子束焊接技術已在我國多家飛機生產企業得到推廣應用，并形成了具有自主知識產權的電子束焊接設備系列化制造能力。近年來，參與深海探測潛水器載人艙球殼的電子束焊接攻關工作，獲得突破性進展。

 

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07

激光焊

 

激光焊基于“小孔效應”原理，是一種以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產生的熱量進行焊接的方法，屬于熔化焊接范疇。由于激光具有折射、聚焦等光學性能，使得激光焊尤其適合于空間復雜曲面的薄壁金屬結構的連接，并能夠獲得大深寬比的焊接接頭。該技術起源于20世紀60年代，具有熱輸入低、焊接速度快、與機械手配合易實現柔性焊接、焊接變形小、接頭質量優良等優點。經過幾十年的發展，逐漸衍生并發展出激光填絲焊、激光電弧復合焊、預置填料激光焊等多種焊接方法。

 

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激光焊在汽車制造業中的應用最為廣泛，而在航空制造業中，近年來其應用也日益增多。制造院已采用激光焊接技術成功實現飛機鈦合金機身壁板加強筋焊接，焊接速度高達8m/min以上，焊縫寬度僅約0.5mm-3.0mm，焊縫靜強度基本與母材等強，基本實現凈尺寸焊接；還采用激光焊接技術成功實現飛機鋁合金套筒環形焊接，在國內同類產品中尚屬首次，焊縫靜強度達320MPa以上，能夠滿足產品的強度和密封要求。

 

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08

線性摩擦焊

 

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線性摩擦焊焊接時，振動工件在動力源驅動下開始高頻往復運動，移動工件在壓力的作用下逐步向振動工件靠攏，當兩工件接觸后，在摩擦力的作用下，界面金屬溫度升高，在溫度和壓力的作用下，界面處金屬發生塑化，形成飛邊，當界面區的溫度、變形達到一定程度后，停止振動并施加頂鍛壓力，界面原子通過擴散與再結晶，形成牢固接頭。線性摩擦焊最早用于塑料的焊接。隨著研究的不斷深入，其應用領域逐漸擴展到鋁、鈦、鎳等合金甚至異種金屬的焊接。

 

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線性摩擦焊的應用領域目前主要集中在航空發動機整體葉盤的制造與修復中。國外也在積極探索線性摩擦焊技術在其他構件上的應用，如飛機構件、民用渦輪、風機、醫療器件等。制造院于上世紀90年代末開始啟動線性摩擦焊技術方案的探索，自行設計研制實驗室用焊機，針對新型發動機研制需求，對各類模擬件和不同材料的線性摩擦焊開展了系統的工藝研究和參數測試，以及接頭性能和規范參數優化的試驗分析。

 

09

慣性摩擦焊

 

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慣性摩擦焊是一種在固態下實現焊接的方法，過程中不發生材料熔化，接頭組織為鍛造組織。慣性摩擦焊一般都裝有飛輪，飛輪可儲存旋轉的動能，用以提供工件摩擦時需要的能量。焊前分別將工件裝入旋轉端和移動端，焊接開始時，飛輪先被加速到預定轉速，然后與動力源分離，此時移動端的試件向飛輪端進給，兩側試件發生相互摩擦加熱，在摩擦界面產生高溫塑性金屬，在軸向頂鍛力作用下被擠出界面，同時飛輪速度逐漸下降直至轉動停止，在保壓一定時間后移動端松開試件并回退，焊接過程結束。

 制造院在中型慣性摩擦焊機上完成了某型發動機壓氣機轉子鼓筒軸的制造工序全過程的研究，完成了模擬件焊接，并對高溫合金、鈦合金壓氣機轉子部件慣性摩擦焊接工藝評定及結構完整性進行了評估，為后續研究提供了技術先導與支撐。

10

攪拌摩擦焊

 

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所（TWI）于1991年發明的一項專利技術。攪拌摩擦焊是一種固態連接方法，一個攪拌頭旋轉著從待焊材料的一頭移動到另外一頭，通過物理摩擦生熱，使材料軟化、攪拌混合，從而形成連接。焊接過程無需添加焊絲等其他材料，被焊材料也沒有熔化，焊接過程中無煙塵、強光，不需要添加防護設備，是一種綠色焊接技術。制造院于上世紀90年代中期便對這項技術開展了前期的探索研究，于2002年與TWI合作成立了“中國攪拌摩擦焊中心-北京賽福斯特技術有限公司”，全面開啟了攪拌摩擦焊技術研究及推廣應用。

攪拌摩擦焊用于鋁合金航空結構的制造，根除了熔化焊（主要是氬弧焊）方法可能導致的焊縫缺陷：氣孔、夾渣、裂紋以及大熱輸入引發的接頭熱影響區性能的下降等。早在2009年，賽福斯特公司就利用攪拌摩擦焊完成了某大型飛機結構組件的低變形、無缺陷焊接，減重200kg；中國某型飛機口蓋壁板為2000系列鋁合金與蒙皮搭接結構，利用攪拌摩擦焊技術焊接后無變形、性能優異、質量一致性好，加工效率高，產品合格率100%；某型飛機單曲率壁板采用蒙皮與長桁攪拌摩擦焊搭接連接，實現了飛機鋁合金壁板結構件的輕質、高性能、低變形焊接。目前，我國已開發多款飛機機身、油箱、口蓋、地板結構，新型戰斗機艙體、機翼機構和雷達冷板等攪拌摩擦焊產品。

素材來源于《生命之光》、102室、104室、107室

編輯/袁博、朱珊、董悅琪

監制/羅京華

本文來自大風號，僅代表大風號自媒體觀點。