我国现代运载工具制造工程中的特种焊接技术北京航空制造工程研究所 关 桥焊接/连接技术在20世纪的后半叶，已发展成为金属材料加工制造业中的一个重要专业学科。钢铁材料在大型工程结构中应用面的扩大和新产品日新月异的发展对焊接/连接科学与技术提出许多难题；40年前,中国焊接学会的成立,为引导学科发展,繁荣焊接科技,促进国民经济发展,作出了积极的贡献.。然而，新世纪伊始，面对新材料、新结构突飞猛进的发展势头，焊接/连接科技又面临新的挑战；甚至，在一定程度上制约着高新科技产业的发展。如果说，在过去的50年间，机械制造业中钢结构量大、面广的生产是对高效、低成本焊接技术（焊接材料、方法及设备）的主要牵引力的话；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/连接技术的牵引图1给出了从水下到太空范围人类用以克服距离、探索自然的运载工具。图1 从水下到太空的现代运载工具这些运载工具发展的共同技术特点是更快、更轻、更强（在特定的环境条件下满足更高、更远、更深的技术要求）。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。为了实现主体结构更强和速度更快的技术目标，在承载结构减轻自重的设计选材时，除金属结构材料中钢、铝合金、钛合金外，正在方兴未艾发展的复合材料和非金属材料也都在优选之列。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。图2所示为歼击机结构材料变化的对比1-5；与SU-27和F-15相比，复合材料（树脂基纤维增强）和钛合金的应用比例在F-22上扩大了许多；由此，对焊接/连接技术的牵引有了新的方向。飞机钛合金重要承力构件的电子束焊接和特种氩弧焊技术（穿透焊、潜弧焊等）对于飞行器新型结构的设计作出了贡献3,5；高强铝合金在飞机结构上的扩大采用还有待搅拌摩擦焊所具有的技术潜力的发挥。作为高性能动力装置的喷气发动机，高温部件的焊接/连接往往决定着结构的可靠性与寿命；超常规高参数的运行需要用新的技术和特种方法来实现诸如单晶叶片、金属间化合物、金属基复合材料、陶瓷复合材料、层板气膜冷却结构和异种材料的焊接/连接1,4。 图2 SU-27，F-15与F-22飞机结构材料的变化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2.1 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(见图3);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1。图3 在飞行器制造工程中焊接、机械连接与胶接的历史变迁示意1在过去的50年间，特种焊接技术与我国飞行器制造技术同步发展;在各种常用焊接方法中,特种焊接技术(高能束焊、固态焊、钎焊等)所占的比例也在发生着变化，其应用面正在扩大,见图4。从图4的变迁示意中还可以看出,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。图4 50年间在飞行器制造工程中各类焊接方法所占比例的变迁示意12.2 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6。在厚板结构的焊接中，电子束与激光束相比，电子束在深穿透的能力方面，仍占优势。在太空条件下的电子束焊接技术，可望在不久的将来成为我国载人航天建造空间站的首选。大功率CO2激光深穿透焊接受到诸多因素的影响，其中光致等离子体的屏蔽效应随着焊接线能量的增大而更加显著。图5所示为在不锈钢板上，用CO2激光束施焊时，能量传输效率(激光器输出能量与形成焊缝的能量之比)与焊接线能量的关系的实验测定结果7。当线能量大于4.5kJ/cm后，能量传输效率稳定在60%；光致等离子体的屏蔽作用阻碍着能量传输效率的提高。图5 大功率CO2激光焊接能量传输效率与焊接线能量的关系7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。值得关注的是激光束在其它材料加工领域的发展，如把快速原形制造技术扩展为飞行器钛合金带筋壁板近净毛坯的成形方法（在预弯曲成形的厚板上用RPM方法添加金属粉末堆焊起筋条再精加工）,是一项技术上的创新8。在技术科学领域中的创新，源于对求解难题物理现象本质的充分认知，捕捉并驾驭矛盾的主要方面，再应用于工程实践。在高能束流焊接与加工领域中，对热源与材料的交互作用机理的探索就孕育着诸多的创新和对前人未能解决难题的突破。例如，等离子弧焊接在40年的发展中，由于“小孔行为”的不稳定性，制约了它在工程结构制造中的扩大应用；虽然有过诸多传感与控制技术的研究开发，终未能如愿以偿。近期，在对“小孔行为”物理本质的深入观察与光谱信息检测基础上，捕捉了等离子弧光特征谱线强度和弧尾翼翘摆与小孔行为的定量关系，见图6; 发明了正面弧光传感器技术，用于等离子弧焊缝成形的闭环控制9，可望对等离子弧焊技术稳定、可靠的工程应用能有所突破。图6 等离子弧光传感器输出信号UL、尾焰电压UE与电弧形态小孔形成(a)和小孔闭合(b)的对应关系92.3 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。复合材料增强体和基体之间、以及复合材料与金属之间的力学特性和物理化学特性的差异，是这些新型材料难以可靠地连接并制约其工程实用的关键。研究人员正在努力开发新的TLP方法,例如，采用铜为中间过渡层，可实现SiC颗粒增强铝基复合材料与LF12和LF6铝合金的TLP扩散连接10。对于金属间化合物高温结构材料Ni3Al用于定向凝固的喷气发动机涡轮导向叶片，采用TLP连接技术，关键在于中间层合金的优选：以母材成分（Ni-Al-Mo）为基础，加入抗氧化元素Cr、降熔元素B和提高稳定性元素Co是解决方案之一11。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，仅有十年时间，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。在工程科技领域中的创新源于实践，FSW就是一个例证。英国焊接研究所的科研人员，几十年坚持不懈，在摩擦焊领域得心应手地开发了线性摩擦焊（用于航空喷气发动机叶盘的焊接）、轨道摩擦焊、摩擦堆焊等项新技术，均得到了工程应用。而搅拌摩擦焊作为一项发明专利，在焊接科技发展史上具有里程碑意义, 其技术经济价值首先体现在工程结构上的应用。铝合金结构的氩弧焊已有半个多世纪的发展，但焊缝中的气孔、裂纹等缺陷、熔焊的铸造组织以及热影响区的失强等一直是困扰科技界的难题，始终未能彻底解决。而FSW在技术上的突破，是把这种固态焊接方法巧妙而简单地应用于板件的对接连接，见图7，根除了熔焊的缺点。FSW的技术经济优势已展示在铝合金快艇结构和运载火箭铝合金燃料贮箱、高速列车铝合金车厢等现代运载工具主体结构的制造上12。在成功的工程应用的基础上，FSW的技术基础研究工作正方兴未艾地兴起。图7 用搅拌摩擦焊实现板件对接接头的固态连接示意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。2.4 气体保护焊 为了迎接新千年和新世纪的到来，在过去的十年间，国内外的焊接科技界对气体保护焊技术的发展前景，已给出了众多展望。作为一项常规焊接技术的创新发展，同样在现代运载工具结构制造中会占有重要地位。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。把常规的钨极氩弧焊用于稍厚板件的对接,电弧的穿透能力显弱，而采用活性剂的A-T1G焊接方法，可克服上述缺点，扩大应用范围。空心阴极真空电弧热