特种焊接 一篇文章读懂航空特种焊接/ 连接技术体系的形成和发展

十二五国家战略性新兴产业发展规划要求高端装备制造业大力发展现代航空空装备产业。航空空特种焊接/连接技术是现代航空空制造业的重要组成部分。服务于高速、高温和极端环境的飞机及其动力装置需要轻量化、长寿命和高可靠性的结构，匹配高性能材料和集成低成本制造技术，于是航空空的特殊焊接/连接技术应运而生。随着新一代飞机及其动力装置的不断发展，新的焊接/连接方法和技术不断发展，精密自动化的专用焊接/连接/加工设备作为新方法和技术的载体得到发展，以满足新航空空产品开发的需要。

在中国，航空空特种焊接/连接技术的研究始终瞄准国际高端制造业发展的前沿，也引领着机械制造业焊接技术的创新发展；与此同时，航空空特种焊接/连接技术的工程应用领域日益扩大，并不断向国民经济其他工业部门转移，发挥更大的技术、经济和社会效益。

航空空特种焊接/连接技术体系的建立及发展趋势

新飞机的设计，轻金属(铝合金、钛合金)结构的扩大应用，动力系统性能的不断提高，高温材料和功能部件的采用，都导致了航空空特种焊接/连接技术的快速创新和发展。然而，关键和核心焊接/连接技术在这些结构和部件的集成和低成本制造方面的突破，不断促进新结构的设计理念和新材料的优化选择。

二十年前，我们预测了20世纪下半叶以来航空空特种焊接/连接技术的发展趋势，如图1所示。

近20年的实践也表明，图1在预测发展趋势上具有前瞻性。航空空特种焊接/连接技术发展和应用的总体趋势表明，高能束(特别是激光束和电子束)焊接/加工技术正在逐步扩大其应用，如图1所示。它在开发各种金属材料的熔焊方法方面处于领先地位。固态键合技术(包括钎焊/扩散焊和过渡液相键合技术)，特别是超塑性成形/扩散键合技术和摩擦焊技术也在扩大应用范围(见图1)。高能束焊和固态焊的创新发展，正在解决航空空制造工程中新的“特殊”和“关键”技术问题，为结构设计者提供更多的创新思维，注入新的结构概念。

从新技术的研发到技术成熟度的提高，为了实现航空空制造中的工程应用目标，我们为航空空制造商提供多类别“交钥匙工程”整体解决方案服务。如飞机起落架、大型承重部件专用电子束焊机和国内最大的高压电子束焊机已研制成功，真空室容积85m3。为新一代飞机的发展提供了强有力的技术支持。

激光束焊接/加工(见表1，ⅴ-2)。与真空电子束相比，它具有在大气环境中惰性气体保护下完成焊接/加工的优点。随着许多新型激光的出现，国防科技重点实验室开发了制孔、制绒、冲击强化、增量制造等加工技术，促进了航空空行业的工程应用。而大功率光纤激光束用于焊接制造飞机铝合金结构、铝锂合金和钛合金带肋壁板，为一体化、轻量化飞机大型承载部件的设计/制造开辟了新的途径。图4为10000瓦激光双光束焊接飞机肋板研发平台。

高能束的增量制造。电子束和激光束是最灵活的热源，是近20年来增量制造技术快速发展的技术基础，结合CAD/CAM技术，长焦距高能束的聚焦、扫描和偏转可以在真空空室内或惰性气体保护下填充金属线或向加热区扩散金属粉末，使材料逐层熔化、固化、堆积， 其构成了一种无模快速成形或金属直接成形的增量制造技术(Additive Manufacturing，Metal Direct Form，Free Form Manufacturing)就其原理而言，最原始的增量制造形式是堆焊，如焊条手工电弧焊堆焊，或自动小电流钨极氩弧焊和微束等离子弧填丝堆焊，但这种焊接热源不具备高能束特有的灵活性和技术优势； 但任何自动可控焊接热源与CAD技术相结合，都可以形成一种新的增量制造方法。

在新飞机的开发过程中，结构设计方案不断修改和完善。增量制造技术的优点是能够适应这种变化，快速响应，从而实现低成本、短周期、无模具的新结构方案的快速制造。在“高能束加工技术”重点实验室中，钛合金结构是在真实空室中通过电子束丝沉积(EBWD)和在充氩室中通过激光粉末沉积(LPD)来制造的。实践表明，与激光送粉技术相比，电子束送丝增量制造的优点是金属材料沉积速率可提高5 ~ 10 kg/h。

2)固态连接技术(见表1，ⅵ)。其专业构造在航空空特种焊接/连接技术体系中具有特殊意义。多年来取得的显著技术进步和成果包括扩散焊、过渡液相连接、超塑成形/扩散连接、线性摩擦焊和搅拌摩擦焊等新技术的创新开发和工程应用。

超塑成形/扩散连接技术(SPF/DB-超塑成形/扩散连接，见表1，ⅵ-2)。1980年，我们不失时机地把握国际前沿动态，及时在专用焊接研究室调整扩散焊接方向，重点研究钛合金壁板结构的SFP/DB技术。1986年成立SPF/DB专业方向，之后成立专业研究室；从此开启了飞机钛合金壁板结构设计/制造的创新发展。不仅实现了飞机、发动机、导弹机翼、导弹机体等新型壁板结构的工程制造，取得了突出的技术经济效益，而且SPF/DB技术的应用迅速扩展到各个航空空和航天设计/制造部门。近年来，在SPF/DB的发展中，标志性的亮点如图5所示。SPF/DB和钛合金宽弦空芯叶片制造的三层夹芯板结构，引领了新型飞机和高性能发动机的发展，提供了技术支撑。

过渡液相连接技术(TLP——过渡液相，见表1、表3和表6-1)。它是高温钎焊和扩散焊接融合的产物和创新发展。在连接过程中，中间箔层的瞬态液相与待连接表面快速反应扩散，界面消失，形成固态扩散接头(即所谓的钎焊扩散接头)。在625特种焊接/连接技术体系中，过渡液相连接技术的研发正在解决航空空制造工程中的“特殊需求”和“关键”问题，特别是航空空发动机设计/材料/制造一体化研发，已成功应用于异种金属材料、金属间化合物、定向凝固和单晶叶片、陶瓷、陶瓷、陶瓷等。

图6显示了在过渡液相中连接镍基单晶合金的过程的演变；图6(a)显示1300℃保温4h后，中间层熔化并充满间隙，部分液相等温凝固；图6(b)显示了1300℃/8小时的等温凝固。图6(c)显示在1280℃/16h扩散处理后接头结构均匀化；接头在1000℃下的永久强度达到基体的90%。

为了开发高性能航空空发动机，TLP技术在燃烧室多孔层压板高温零件制造中发挥了关键作用，满足了“特殊需求”的严格技术要求。图7示出了由TLP技术开发的新型发动机燃烧室多孔层压高温部件。

线性摩擦焊技术(见表1，ⅵ-3-2)。它是摩擦焊的一个重要分支。80年代后期，625所完成了惯性摩擦焊发动机压气机转子鼓轴开发的成套制造技术开发，并将工艺指导文件移交给生产厂家后，确定摩擦焊方向为下一代高性能发动机叶盘结构设计/制造的核心关键技术——线性摩擦焊技术与设备的研发。目前，在自主研发的20t和60t线性摩擦焊设备上，正在为新型发动机开发和制造不同类型的整体叶盘结构；图8示出了通过线性摩擦焊接技术制造的风扇和压缩机整体叶盘。

FSW—摩擦搅拌焊(FSW—摩擦搅拌焊，见表1，ⅵ-3-3)。1992年，焊接研究所发明了铝合金板对接焊缝与搅拌摩擦工具的固态连接，并很快将这一创新技术应用于欧美航空航天和造船用铝合金壁板结构的制造。这项技术的潜在优势引起了我们的极大关注，1995年，我们开始了搅拌摩擦焊的研究和开发；2002年，与焊接研究所签署了建立中国搅拌摩擦焊中心的双边协议。然后依托625成立了国内第一家专业搅拌摩擦焊公司——北京赛福斯特科技有限公司；为搅拌摩擦焊接技术建立了一个专门的研究实验室，即第107研究实验室。到目前为止，航空空特种焊接/连接技术体系的大树上又增加了一个新的分支——搅拌摩擦焊技术(见图2)。经过10多年的努力，搅拌摩擦焊技术已经在全国各工业部门推广应用。从航空空、航天、船舶、轨道交通、火车车厢、大型宽铝合金肋板制造，到能源、电力、兵器工业等。作为一种固态连接技术，搅拌摩擦焊根除了熔焊方法的缺点，其产业化规模日益扩大。

除铝合金外，搅拌摩擦焊技术的研究和发展方向之一是克服其对高熔点金属材料的适用性，从实验室走向工程应用。

回顾与展望

(1)在625成立55周年的历程中，航空空特种焊接/连接技术的体系建设已经初具规模，从最初的“焊接集团”幼苗成长为参天大树。在这个技术体系中，涵盖了当今航空空行业发展所需的各种先进的焊接/连接方法和技术，培养了一支专业的科技团队，各专业技术门类的科研和专业技术服务团队活跃在第一线。

(2)注重国内外学术交流，时刻关注世界焊接学科发展趋势，聚焦前沿水平，抓住机遇，打造新的专业研究方向；抓紧建立“高能束加工技术”重点实验室、“超塑成形/扩散连接”研究实验室、“中国搅拌摩擦焊中心”、“航空空连接技术”重点实验室等。，调整组织结构，培养科研梯队，适应航空空特种焊接/粘接技术的发展趋势，促进

(3)航空空特种焊接/连接技术服务于航空空工业科技发展的需要，及时安排前期研究，承担模型攻关任务，针对“特殊需要”和“关键”问题研究新方法和新技术，同时开发配套设备和工装， 并按“交钥匙工程”整体解决。他为研制开发10多种新型飞机和近10种新型发动机作出了贡献，获得80项部级和国家级科技进步奖，60多项专利。

(4)航空空特种焊接/连接技术体系的建设与我国焊接行业的发展同步，多项专业技术的研发引领了我国同行业的发展；在国防和民用技术一体化的政策指导下，该技术体系的服务目标已经突破了航空空行业的限制。由于焊接/连接方法、技术和设备的普遍性，其工程应用和技术服务范围很广。经过55年的努力，航空空特种焊接/连接技术已经普及、扩散、辐射、扩散到国民经济建设的各个领域，包括航空空、航空航天、船舶、武器、核工业、设备制造、轨道交通、汽车、能源、电子等。

(5)面向未来，航空空技术的快速发展是由强大的需求驱动的，这就要求特种焊接/连接技术的加速和创新；以及航空空特种焊接/连接技术体系将如何推动航空空制造业的科技进步？毫无疑问，在加快航空空产业大发展的前提下，在保持现有有效运行模式的同时，在市场经济环境下，遵循体制机制改革的大方向，试图以专业化技术公司的模式寻求做大、做强、做优的发展道路，是进一步解放生产力的有效方案，其发展规律也得到国内外实践的验证。

本文编辑:糖糖

◎本文通过焊接和切割在线发布

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