航空焊接技術——飛行夢想“連接器”

　　焊接技術是先進制造行業(yè)的關鍵技術，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。焊接技術在解決復雜結構制造、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)成為衡量一個國家制造業(yè)水平的重要標志。焊接技術通常應用于航空、航天、船舶、石油、化工、汽車、機械、電子等領域，其中，焊接技術在航空工業(yè)的應用尤其廣泛，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”）是我國最早進行焊接技術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價技術、新型高溫結構材料的釬焊與擴散焊技術、航空復雜結構的焊接制造技術、特種焊接材料制備技術、發(fā)動機關鍵部件焊接修復再利用及可靠性評價技術等五大核心研究方向，在我國航空焊接領域綜合實力處于領先地位，已成為中國航空焊接技術的“夢之隊”。

　　航空釬焊擴散焊技術的領導者

　　釬焊和擴散焊技術是應用最為廣泛的先進焊接技術之一。為大力發(fā)展釬焊擴散焊技術，航材院專門設立了“釬焊擴散焊研究與工程技術中心”。這是一支優(yōu)秀的科研團隊，代表著國內(nèi)釬焊擴散焊技術的一流水平，尤其是在先進鑄造高溫合金及葉片的釬焊與擴散焊、航空發(fā)動機失效渦輪葉片的釬焊修復與再利用、復雜鋁合金構件的精密釬焊、高溫結構陶瓷的高溫釬焊以及異種材料的釬焊等航空新材料、新結構釬焊擴散焊技術領域形成了獨特的優(yōu)勢。

　　發(fā)動機高溫合金葉片的釬焊技術是航空發(fā)動機的核心技術之一。“核心技術買不來”。航材院釬焊擴散焊研究與工程技術中心通過自主研制攻關，在先進鑄造高溫合金葉片的釬焊擴散焊技術方面取得突破進展，研發(fā)的發(fā)動機DZ125高溫合金高壓渦輪工作葉片焊接技術已經(jīng)服務于航空工廠。為滿足第二代單晶高溫合金葉片的型號研制需求，在無任何經(jīng)驗可借鑒的情況下，該中心對DD6單晶高溫合金的釬焊和過渡液相擴散焊工藝進行了深入系統(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)再結晶這一國外用了五年時間才解決的技術難題，避免了葉片材料的巨大浪費，為我國先進航空發(fā)動機單晶渦輪葉片的研制做出了貢獻。目前，航材院在先進鑄造高溫合金葉片釬焊技術領域處于國內(nèi)領先地位，釬焊技術基礎研究工作也日益受到國內(nèi)同行的認可，僅2012年度就有兩項關于釬焊技術的國家自然科學基金項目獲得資助。

　　縫陣天線是機械掃描天線中的先進結構形式，是雷達最關鍵的精密部件之一，堪比雷達的“眼睛”。雷達制導導彈用天線一般采用多層結構，其制造加工需要疊層組裝精密釬焊技術。航材院釬焊擴散焊研究與工程技術中心通過15年的技術攻關，突破了釬料選擇及添加、焊著率控制、焊接變形控制等多項關鍵技術，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鍵技術，該項目被鑒定為“技術水平屬國內(nèi)領先，達到了國際先進水平”，該技術目前已經(jīng)廣泛應用于航空、航天以及民用等多個領域。

　　航空鈦合金電子束焊接的前行者

　　近些年來根據(jù)先進航空鈦合金的研制進展，航材院開展了大量的鈦合金電子束焊接技術研究，在鈦合金焊接質(zhì)量控制和接頭組織性能技術等方面處于國內(nèi)領先地位。焊接研制的某型發(fā)動機鈦合金、高溫合金轉子部件已通過試車考核并進入批產(chǎn)階段。通過在航空裝備制造中采用真空電子束焊接技術，使零件的制造難度降低約40%～50%，結構零件的總重量減少25%～40%。同時，為滿足TC21損傷容限型鈦合金飛機關鍵承力部件的設計要求，航材院通過科研攻關，突破了TC21鈦合金60mm厚截面電子束焊縫質(zhì)量控制技術，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，形成了大型復雜結構低應力、小變形電子束焊接制造關鍵技術，實現(xiàn)了電子束焊接接頭綜合性能與母材水平相當，在國內(nèi)首次成功實現(xiàn)大厚度TC21損傷容限型鈦合金承力框結構的電子束焊接制造，為TC21鈦合金成功應用于飛機大型安全壽命級關鍵承力部件提供了穩(wěn)定可靠的關鍵焊接技術。此外，航材院還研究了大晶粒鈮材電子束焊接技術，保證了超導腔復雜結構焊縫內(nèi)部質(zhì)量和背面成形。

　　特種焊接材料制備技術的創(chuàng)新者

　　多年來，航材院一直致力于特種焊接材料制備技術的創(chuàng)新發(fā)展。通過科研攻關，創(chuàng)立了適用于16Co14Ni10Cr2MoE超高強度鋼的自動氬弧焊工藝技術，研制了與基體材料強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)定地達到航標一級焊縫要求。該技術已經(jīng)應用于某飛機超高強度鋼平尾大軸的焊接生產(chǎn)線。同時，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關鍵，為先進發(fā)動機低膨脹合金環(huán)形件的制造提供了焊接技術儲備。航材院研究的鋁合金自動弧焊高質(zhì)量控制技術還被應用于“神舟”系列飛船的焊接器件制造。

　　在焊接材料的研制和應用研究方面，航材院實現(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）的定點供貨單位，供應量可以在幾千克至幾噸的量級，滿足了在役型號飛機和發(fā)動機的焊接材料批產(chǎn)需求，并根據(jù)新型號的設計需求，及時研制滿足航空及其它軍民用特殊用途的各類焊接材料。

　　航空焊接修復與再利用的引領者

　　航空燃氣渦輪發(fā)動機的關鍵熱端部件的工作條件日趨苛刻，因此它們經(jīng)歷一個使用周期后，往往會出現(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)動機關鍵熱端部件進行延壽焊接修復。焊接修復與再利用技術是一個極具產(chǎn)業(yè)化前景的方向，用焊接修復發(fā)動機部件的成本是造一個新部件的10%～20%，而且比制造新部件明顯節(jié)省生產(chǎn)周期，另外，焊接修復技術可節(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技術，系統(tǒng)攻克了風扇和壓氣機葉片、渦輪工作葉片、渦輪導向葉片、整體導向器、機匣等部件的裂紋、磨損、燒蝕、打傷等缺陷的釬焊修復、熔焊修復技術，并建立起焊接修復可靠性評估技術。各類試修部件通過試車考核，獲得使用方的高度評價。目前已經(jīng)掌握了9個型號、30余類零件的焊接修復技術，共修復零件10000余件，均裝機使用。而且經(jīng)過實際飛行驗證，相關焊接修復部件滿足一個翻修周期要求，而且有的已經(jīng)延長飛行壽命超過400小時。

　　中國航空焊接技術的“夢之隊”

　　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的領先地位，具有完備的焊接軟硬件技術條件。目前設有“釬焊擴散焊研究與工程技術中心”和“熔焊與特種焊”專業(yè)組，擁有先進的真空釬焊設備、真空和多氣氛擴散焊設備、中壓和高壓電子束焊機、6kW光纖激光器、慣性摩擦焊機、電阻焊設備、自動弧焊機、焊接機器人、焊接模擬試驗機等先進焊接設備，并建成航空電焊條、焊絲、釬焊料的全套生產(chǎn)線，以及釬焊修復和熔焊修復兩條焊接修復生產(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供應商，是航空焊接技能人員培訓和資格認證工作定點單位，是中國焊接學會釬焊及特種連接專委會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)量檢驗標準編制的主要負責單位。

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

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