飛機結(jié)構(gòu)長壽命連接技術(shù)應(yīng)用研究進展

　　我國目前對現(xiàn)役和在研的飛機提出了延長其使用壽命的迫切需求。飛機結(jié)構(gòu)的使用壽命不僅與細(xì)節(jié)設(shè)計、機體材料和飛行載荷相關(guān)聯(lián)，更與其零件制造質(zhì)量及其所采用的技術(shù)密不可分。這些技術(shù)包括連接技術(shù)、裝配技術(shù)和強化技術(shù)等。

　　機體結(jié)構(gòu)通過各種形式的連接而成為一傳力承載的整體，而“力”在數(shù)以萬計的分布于結(jié)構(gòu)單元上的連接點（緊固件、釘孔、焊點、焊縫、膠接點等）間的傳遞過程中，持續(xù)對結(jié)構(gòu)機體所進行的重復(fù)作用致使其產(chǎn)生疲勞損傷，繼而影響飛機結(jié)構(gòu)的使用壽命。同樣，各連接點的制造與裝配質(zhì)量也通過對“力”的傳遞所產(chǎn)生的影響而影響結(jié)構(gòu)的使用壽命，通過各種技術(shù)途徑改善各連接點的技術(shù)狀態(tài)（表面質(zhì)量、配合性質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式等）就能全面提高機體結(jié)構(gòu)的使用壽命。據(jù)統(tǒng)計，75%～80%的疲勞損傷與破壞都發(fā)生在機體結(jié)構(gòu)的連接部位，足見連接對飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命的重要性。

　　連接結(jié)構(gòu)壽命是機體結(jié)構(gòu)壽命的主要決定因素之一，保證結(jié)構(gòu)連接可靠，在飛機預(yù)定使用期內(nèi)不發(fā)生功能下降或失效的故障，是長壽命連接技術(shù)應(yīng)用研究的主要目的。國外現(xiàn)役的先進飛機機體普遍應(yīng)用的這類技術(shù)有干涉連接技術(shù)、電磁鉚接技術(shù)、多種強化技術(shù)、多種焊接技術(shù)。所有這些技術(shù)在結(jié)構(gòu)不同部位的合理使用保證了其具有較長的使用壽命。

雙向激光焊接波紋梁結(jié)構(gòu)。

鈦復(fù)合材料夾層干涉連接件。

干涉量與疲勞壽命的關(guān)系曲線。

　　復(fù)合材料干涉連接技術(shù)

　　新一代飛機機體大比例應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已成必然趨勢，對復(fù)合材料/金屬混合夾層結(jié)構(gòu)連接的研究與分析也成為結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的關(guān)注熱點。干涉連接技術(shù)采用襯套與螺栓組合對復(fù)合材料/金屬混合夾層結(jié)構(gòu)的連接釘孔進行微量擠壓，改善釘孔表面狀態(tài),對提高金屬釘孔的疲勞壽命或改善釘載分布效果明顯。

　　干涉連接技術(shù)應(yīng)用的難點在于對干涉量的選取，相關(guān)技術(shù)人員為節(jié)約研究成本，對干涉量這一復(fù)雜問題進行了簡化，選取了有限的數(shù)據(jù)組合，開展了相應(yīng)的試驗研究工作，取得如下結(jié)果：

　　1）干涉連接可提高復(fù)合材料/金屬混合夾層連接件的疲勞壽命，提高的幅度均在1倍以上。

　　2）干涉連接可使釘載分配較為均勻，隨著釘與孔配合緊密程度的增加，首排釘載逐漸減小，第二排釘載逐漸增加，最大釘載由首排轉(zhuǎn)移到第二排。

　　3）過大的干涉量會加劇釘載分布的不均勻性，釘載差異接近XX%，甚至高于間隙連接。

　　4）形成了復(fù)合材料干涉型緊固件無損安裝初步工藝規(guī)程和檢查評估辦法。

　　5）能夠?qū)π∫?guī)格（Ф4～Ф6）干涉襯套、螺栓進行自主小批量生產(chǎn)，襯套的合格率能夠超過85%。

　　6）針對小規(guī)格（Ф4～Ф6）干涉連接國內(nèi)技術(shù)成熟度已達(dá)到6級，可以在型號研制中嘗試應(yīng)用。

緊固孔表擠壓強化技術(shù)

　　緊固孔表擠壓強化技術(shù)是借助接觸施加外力對金屬夾層釘孔表進行擠壓，使孔周產(chǎn)生彈性區(qū)和塑性區(qū)，彈性區(qū)作用塑性區(qū)使孔壁產(chǎn)生壓應(yīng)力狀態(tài),提高金屬釘孔的疲勞壽命的一種長壽命強化技術(shù)。結(jié)構(gòu)連接區(qū)緊固孔表改善在經(jīng)歷了芯軸滾壓、芯棒擠壓技術(shù)發(fā)展階段后，借助開縫襯套與芯棒結(jié)合、避免孔壁產(chǎn)生接觸損傷的開縫襯套擠壓強化技術(shù)將擁有廣闊前景。

　　國內(nèi)近些年結(jié)合型號研制及有關(guān)預(yù)研項目，針對鋁合金、鈦合金及其混合夾層結(jié)構(gòu)的制孔技術(shù)及其擠壓強化技術(shù)進行了相應(yīng)的試驗研究與分析，主要工作和結(jié)論如下：

　　1）單一鈦合金（國內(nèi)材料）夾層結(jié)構(gòu)試驗采用X%擠壓量，疲勞壽命不增反降，且降幅達(dá)XX%以上，這就說明X%擠壓量對鈦合金夾層結(jié)構(gòu)的疲勞壽命影響是負(fù)面的。X%以上的擠壓量對提高單一鈦合金夾層結(jié)構(gòu)疲勞壽命有益，增益最高接近XXX%。 

　　2）單一鋁合金（國內(nèi)材料）夾層結(jié)構(gòu)試驗采用X%擠壓量對鋁合金疲勞壽命增益很小，疲勞壽命增益不明顯，可以忽略不計。當(dāng)擠壓量達(dá)到X.X%時，疲勞壽命有明顯增加，接近XXX%，當(dāng)擠壓量繼續(xù)增大至X%時，疲勞壽命將再次下降，降幅約XX%。

　　3）對于鈦/鋁搭配的復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)（這種組合飛機上很常見）三釘接頭試件，需要兼顧兩種材料綜合考慮制孔參數(shù)。采用X.X%擠壓量是一種合理地選擇，可兼顧對單一鈦、鋁合金疲勞壽命的影響，但疲勞壽命增幅有限，最多增加XX%左右。

　　4）在實際飛機結(jié)構(gòu)中有單一的鋁或鈦合金夾層結(jié)構(gòu)，也常有鈦/鋁搭配的復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，對強化擠壓量的選擇，既要考慮以上的試驗研究結(jié)果，也要考慮實際釘載不均所導(dǎo)致疲勞載荷幅值差異對結(jié)構(gòu)壽命的更大影響。

激光焊接技術(shù)

　　激光焊接是用大功率密度的激光束對材料表面進行照射，通過材料表面吸收光能并且轉(zhuǎn)化為熱能使焊接部位溫度升高熔化成為液態(tài)，在隨后的冷卻凝固過程中實現(xiàn)兩種材料的連接。它是一種高速、高效、高精度的高能束流焊接方法，焊接接頭質(zhì)量可與電子束焊媲美，卻無需真空環(huán)境，不產(chǎn)生X射線, 尤其適合于新型耐高溫航空結(jié)構(gòu)材料的焊接組合。

　　國內(nèi)2006年對2.5毫米厚1420鋁鋰合金板材進行了YAG激光焊接，對YAG激光焊接工藝參數(shù)與焊縫成形及焊接接頭的拉伸性能進行了試驗研究。

　　雙光束激光焊接意味著在焊接過程中同時使用兩束激光，光束排布方式、光束間距、兩束光所成的角度、聚焦位置以及兩束光的能量比都是雙光束激光焊接中的相關(guān)設(shè)置參數(shù)。通常情況下，在焊接過程，雙光束的排布方式一般有兩種，一種是沿焊接方向呈串列式排布，這種排布方式可以降低熔池冷卻速率，減少了焊縫的淬硬性傾向和氣孔的產(chǎn)生。另一種是在焊縫兩側(cè)并列排布或交叉排布，以提高對焊縫間隙的適應(yīng)性。 

　　影響激光焊接的主要工藝參數(shù)有：激光類型和功率、光斑直徑、焊接速度、激光入射情況、焊絲形狀和尺寸、保護氣體特性等。目前，國內(nèi)激光焊接鈦合金薄板的成熟度級別有了較大提高，雙光束激光焊接鈦合金薄板結(jié)構(gòu)的成熟度級別也有了較大的提高。

　　活性焊劑氬弧焊技術(shù)

　　活性焊劑氬弧焊技術(shù)是采用在被焊接部位涂敷活性物質(zhì)的方法，壓縮焊接電弧，改善熔池的流動，以減小熱影響區(qū)，提高焊縫質(zhì)量。

　　我國活性焊劑氬弧焊接技術(shù)在“十五”、“十一五”期間，完成了許多工程應(yīng)用研究工作，取得了顯著的技術(shù)進步。鈦合金波紋腹板梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究具有鮮明的代表性，對于焊縫魚鱗紋、機械打磨、手工打磨等影響焊縫接頭的中值疲勞壽命等工程細(xì)節(jié)問題均進行了深入的試驗研究。

連接焊縫表面超聲沖擊強化技術(shù)

　　表面超聲沖擊強化是利用超聲沖擊波的能量，打擊金屬零件表面，使零件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力層，改善零件的表面狀態(tài)。我國超聲沖擊強化技術(shù)目前處于應(yīng)用研究階段，“十一五”期間利用該技術(shù)對鈦合金焊縫進行了強化處理與試驗研究分析，焊后超聲沖擊處理（UIT）可以有效地改變焊縫表面的應(yīng)力分布情況，將拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，均值達(dá)可以到-XXXMPa以上。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了輔助工裝對激光焊接和活性焊劑氬弧焊接波紋腹板梁結(jié)構(gòu)焊縫進行了強化，取得了一定效果和工程應(yīng)用經(jīng)驗。

　　超塑成形/擴散連接

　　鈦合金層合技術(shù)

　　超塑成形/擴散連接鈦合金層合技術(shù)是采用超塑成形/擴散連接工藝，在形成結(jié)構(gòu)的多層鈦合金薄板接合面間形成擴散連接點，提高結(jié)構(gòu)抗疲勞能力。

　　國內(nèi)鈦合金SPF/DB技術(shù)應(yīng)用雖然在規(guī)模與數(shù)量上與國外有一定差距，但在隔框、大型口蓋、整流罩等承力構(gòu)件上也已裝機使用，并對鈦合金DB層合結(jié)構(gòu)開展了試驗研究。通過鈦合金層合結(jié)構(gòu)裂紋擴展性能對比試驗發(fā)現(xiàn)，層合結(jié)構(gòu)的表面裂紋擴展性能、穿透裂紋擴展性能和開孔拉伸角裂紋擴展性能都有著明顯的優(yōu)勢，作為一種緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)，在主承力構(gòu)件上的應(yīng)用可以提高結(jié)構(gòu)的耐久性，是很有應(yīng)用前景的一種結(jié)構(gòu)形式。

　　激光成形及連接技術(shù)

　　激光成形及連接技術(shù)是采用鈦合金微細(xì)粉末，經(jīng)激光熔化后堆砌成獨立的結(jié)構(gòu)單元，將各結(jié)構(gòu)單元加工后，再連接成設(shè)計要求的整體件。

　　國內(nèi)開展金屬零件激光直接成形工藝技術(shù)研究的單位目前主要有北京航空航天大學(xué)、北京有色研究總院、西北工業(yè)大學(xué)及清華大學(xué)等單位。

　　此外對于A-100鋼結(jié)構(gòu)件的激光成形制造國內(nèi)也在進行著探索性研究。（中航工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所 楊旭　魏金龍）