特种焊接技术在现代运载工具制造工程中的应用

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2018-07-24 16:46:24

摘要: 在今后的50年间,以高新科技产品和现代运载工具为代表的前沿工程科技,正在呼唤特种焊接/连接科技的新突破。



      1、现代运载工具结构和材料的发展对焊接/连接技术的牵引
      任何一个运载工具都由两个主体组成:其一是运载器主体结构,其二是动力装置。为了满足运载工具的高性能动力装置的技术要求,如核动力装置或喷气发动机动力装置的超常规参数运行指标,又必须采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。可见,无论是深潜器、飞机还是运载火箭、空间站,新结构和新材料的采用都对焊接/连接技术与科学的发展提出了严峻的挑战。以电子束焊接技术的发展为例,50年前,为了发展核动力装置,最先把高能量密度的电子束焊接方法应用于薄壁核燃料棒的封接制造;当今,正在把电子束焊接技术(或搅拌摩擦焊技术)应用于防止核废料污染的厚壁铜容器的封接;在技术要求上同样都是高可靠性的连接。电子束焊接在实现深潜器厚壁钛合金球形容器的焊接方面,仍具有无可替代的优势。在用于太空探索空间站建造与维修方面,电子束焊接与钎焊也已有独到的成功应用。
      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。
      特种焊接技术―作为实现运载工具的新结构设计构思和新材料选用不可或缺的技术保障,可明显地减轻结构重量,降低成本,提高性能,延长寿命,和赋予运载工具以高可靠性和全寿命周期的可维修性;同时,在提高贵重材料的有效利用率方面(从2-3%到70-80%)具有独特的优势[1]。当前,焊接/连接技术对结构造成的不完整性损伤,正在制约着高新技术的发展;强劲的需求牵引要求焊接/连接技术有新的突破与创新。


      2、特种焊接技术的进展
     1、焊接/连接技术在制造业中的地位
      自从火焰和电弧发展成为连接金属材料的焊接热源后,经历了百年的发展与进步,尤其在二次世界大战后的50多年间,有了长足进步;焊接/连接技术已成为制造业中的关键专业学科,形成了行业体系。例如,在飞行器制造工程中,50年前,机械连接(螺栓、铆接)占有主导地位;在技术进步过程中,焊接技术的比例逐渐扩大;在喷气发动机结构连接技术中,焊接占有了主导地位;而在飞机结构的连接中,目前,焊接还不占优势;但其发展趋势是明显的,焊接的应用范围在不断地扩大。
      在熔焊方法中,气焊的比例减小明显,弧焊仍然是主角,而高能束流焊接技术(电子束、激光束、等离子体)的比重在不断增大。电阻焊技术,由于多以搭接的接头形式应用于结构,不利于减轻结构自重,在承力部位的应力集中又影响其抗疲劳性能;因此,在飞行器的结构设计中逐步缩小了其应用范围。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,在高科技产品迅猛发展的年代,显现出蓬勃生机;同样,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中,另辟蹊径。


     2、高能束流焊接与材料加工
      激光束、电子束所具有的微焦点与散焦加热、高能量密度、高速加热、深穿透、高速冷却、可精密控制、高速扫描、全方位加工等技术特点,正在材料加工领域中得以充分发挥和开发利用。除已应用于焊接、打孔、切割、表面改性、涂覆和精细加工外,在新材料的制备(如功能材料、纳米材料、非晶材料)与快速成形和超精细加工技术中的应用,还大有可为;尤其当大功率的YAG激光与二极管激光和准分子激光工程化应用后,对材料与束流交互作用机理的深入科学研究,将会引导学科发展、创新。
      高能束流聚焦后可获得深宽比大的焊缝,这虽是优点,但在众多实际工程应用中,又有局限性,如对壁板结构的对接焊缝装配精度要求较高,制约其应用面的扩大。近年来,研究并开发的激光束与MIG焊相结合的复合热源焊接法,不失为一种对板件对接装配间隙容限放宽的合理解决方案;因此,在舰船、汽车制造业中很快找到了工程应用技术市场。


     3、固态焊接
      在众多固态焊接方法中,当代高新技术和现代运载工具的发展促成扩散焊、摩擦焊技术有所创新;其根本性的优点在于焊接/连接接头区排除了熔焊的枝状铸造组织、缺陷,从而使接头区的力学性能可接近于母材。熔焊对材料的损伤,显然有悖于新型材料朝着超纯、超细、超精的方向发展;、然而,固态焊接技术的创新,将会有助于新型材料的功能在工程结构上的发挥。
      超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术在航空、航天结构上的日益扩大应用,正是适应了钛合金薄壁整体结构设计的新构思,使成形与连接一体化。
      扩散焊(含扩散钎焊或称TLP连接)为非金属、陶瓷、单晶金属材料、金属间化合物和金属基复合材料的连接(自扩散或加中间过渡层、梯度材料形成接头)提供了必要条件;但对界面反应、界面扩散接合的机制研究乃是保障界面高质量结合的前提。
      搅拌摩擦焊(FSW)从发明到大面积地在铝合金结构上的工程应用,仅有10年时间,这在焊接技术发展史上是空前的;充分展示了新技术的生命力在于其创新性与工程实践中的难题求解所形成的合力。
      作为固态焊接的方法之一,电磁脉冲(MPW)焊接法近年来又有了较快的发展和应用,其连接机理介于爆炸焊和超声焊接之间,利用大电流脉冲放电,在导电工件中感应涡流,产生瞬间强磁脉冲力,使工件产生高速塑性流变,实现连接。这种特种连接方法可望在管接头与异种材料的连接中扩大应用。

      气体保护焊(钨极和熔化极气体保护焊)技术无论是在其工艺适应性方面还是其过程的自动化(计算机系统)控制方面均有了长足的进步,这在很大程度上应归功于焊接电源的技术进步,逆变电源实现了对传统焊接电源的跨跃式发展;在此基础上正在推进的数码焊接电源可望进一步对气体保护焊的工艺性有所提高、改善。
      熔化极气体保护焊(采用实心或药芯焊丝)仍然是机械制造行业和大型工程结构制造中的主导焊接方法。在过去50年间这项技术为我国焊接科技事业发展作出了贡献,、如在作为现代运载工具之一的船舶制造行业中,采用CO2气体保护焊,在过去的20年间,实现了造船行业制造技术的高效、低成本跨跃式技术改造,焊接自动化程度大幅提高,造船产量亦跃居世界前列。


      3、焊接/连接技术与科学面临的挑战
      回眸焊接科学与技术的发展历史,可以清楚地看到,寻求解决焊接/连接科学制约新材料、新结构应用的途径,应从材料研制与焊接科技两个方面着手。例如:飞行器上全焊结构的采用已日趋明显,要迎接挑战,必须将材料和焊接科学与技术在发展中形成合力。