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中航突破先进航空发动机与导弹天线焊接技术
发布日期:2014-10-31 13:52   

  特种焊接工艺

  航空焊接技术——飞行梦想“连接器”

  焊接技术是先进制造行业的关键技术,是材料形成零件和零件成为产品的桥梁。焊接质量直接影响着产品的性能、寿命和安全。焊接技术在解决复杂结构制造、简化材料成形工艺和降低制造成本等方面发挥着重要作用,已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。焊接技术通常应用于航空、航天、船舶、石油、化工、汽车、机械、电子等领域,其中,焊接技术在航空工业的应用尤其广泛,被喻为编织飞行梦想的“连接器”。

  中航工业北京航空材料研究院(以下简称“航材院”)是我国最早进行焊接技术研究的航空科研院所之一。经过57年的发展,航材院在焊接方面已形成航空新材料的焊接性研究与焊接接头性能评价技术、新型高温结构材料的钎焊与扩散焊技术、航空复杂结构的焊接制造技术、特种焊接材料制备技术、发动机关键部件焊接修复再利用及可靠性评价技术等五大核心研究方向,在我国航空焊接领域综合实力处于领先地位,已成为中国航空焊接技术的“梦之队”。

  航空钎焊扩散焊技术的领导者

  钎焊和扩散焊技术是应用最为广泛的先进焊接技术之一。为大力发展钎焊扩散焊技术,航材院专门设立了“钎焊扩散焊研究与工程技术中心”。这是一支优秀的科研团队,代表着国内钎焊扩散焊技术的一流水平,尤其是在先进铸造高温合金及叶片的钎焊与扩散焊、航空发动机失效涡轮叶片的钎焊修复与再利用、复杂铝合金构件的精密钎焊、高温结构陶瓷的高温钎焊以及异种材料的钎焊等航空新材料、新结构钎焊扩散焊技术领域形成了独特的优势。

  发动机高温合金叶片的钎焊技术是航空发动机的核心技术之一。“核心技术买不来”。航材院钎焊扩散焊研究与工程技术中心通过自主研制攻关,在先进铸造高温合金叶片的钎焊扩散焊技术方面取得突破进展,研发的发动机DZ125高温合金高压涡轮工作叶片焊接技术已经服务于航空工厂。为满足第二代单晶高温合金叶片的型号研制需求,在无任何经验可借鉴的情况下,该中心对DD6单晶高温合金的钎焊和过渡液相扩散焊工艺进行了深入系统的自主研究,获得了高性能的焊接接头,仅用两年就突破了焊接近缝区再结晶这一国外用了五年时间才解决的技术难题,避免了叶片材料的巨大浪费,为我国先进航空发动机单晶涡轮叶片的研制做出了贡献。目前,航材院在先进铸造高温合金叶片钎焊技术领域处于国内领先地位,钎焊技术基础研究工作也日益受到国内同行的认可,仅2012年度就有两项关于钎焊技术的国家自然科学基金项目获得资助。

  缝阵天线是机械扫描天线中的先进结构形式,是雷达最关键的精密部件之一,堪比雷达的“眼睛”。雷达制导导弹用天线一般采用多层结构,其制造加工需要叠层组装精密钎焊技术。航材院钎焊扩散焊研究与工程技术中心通过15年的技术攻关,突破了钎料选择及添加、焊着率控制、焊接变形控制等多项关键技术,并形成小批量生产能力,自主研发出一整套多层铝合金平板缝阵天线的真空精密钎焊关键技术,该项目被鉴定为“技术水平属国内领先,达到了国际先进水平”,该技术目前已经广泛应用于航空、航天以及民用等多个领域。

  航空钛合金电子束焊接的前行者

  近些年来根据先进航空钛合金的研制进展,航材院开展了大量的钛合金电子束焊接技术研究,在钛合金焊接质量控制和接头组织性能技术等方面处于国内领先地位。焊接研制的某型发动机钛合金、高温合金转子部件已通过试车考核并进入批产阶段。通过在航空装备制造中采用真空电子束焊接技术,使零件的制造难度降低约40%~50%,结构零件的总重量减少25%~40%。同时,为满足TC21损伤容限型钛合金飞机关键承力部件的设计要求,航材院通过科研攻关,突破了TC21钛合金60mm厚截面电子束焊缝质量控制技术,消除了大厚度截面深熔电子束焊缝气孔、空洞、未熔合及根部钉尖等焊接缺陷,形成了大型复杂结构低应力、小变形电子束焊接制造关键技术,实现了电子束焊接接头综合性能与母材水平相当,在国内首次成功实现大厚度TC21损伤容限型钛合金承力框结构的电子束焊接制造,为TC21钛合金成功应用于飞机大型安全寿命级关键承力部件提供了稳定可靠的关键焊接技术。此外,航材院还研究了大晶粒铌材电子束焊接技术,保证了超导腔复杂结构焊缝内部质量和背面成形。

  特种焊接材料制备技术的创新者

  多年来,航材院一直致力于特种焊接材料制备技术的创新发展。通过科研攻关,创立了适用于16Co14Ni10Cr2MoE超高强度钢的自动氩弧焊工艺技术,研制了与基体材料强度相匹配的填充焊丝。通过层间温度、线能量、起弧相位和轴向收缩等精确控制和焊接缺陷综合控制,解决了零件多层焊接头组织、强度和韧性及焊接变形控制难题,使多层焊质量稳定地达到航标一级焊缝要求。该技术已经应用于某飞机超高强度钢平尾大轴的焊接生产线。同时,研制出含Mo和稀土元素的Ni-Co-Fe-Cr-Al-Nb系合金抗焊接裂纹焊丝,解决了低膨胀GH783合金裂纹防止和接头性能保证技术关键,为先进发动机低膨胀合金环形件的制造提供了焊接技术储备。航材院研究的铝合金自动弧焊高质量控制技术还被应用于“神舟”系列飞船的焊接器件制造。

  在焊接材料的研制和应用研究方面,航材院实现了我国焊接材料从仿制到创新、从少量焊料种类到初步建立起航空焊接材料体系的重大跨越,自主研制的焊接材料基本覆盖铝合金、铜合金、不锈钢、钛合金、铸造和变形高温合金、镍铝系和钛铝系金属间化合物、陶瓷、陶瓷基复合材料。目前航材院是航空焊接材料(电焊条、焊丝、钛基合金钎料、镍基高温钎料、钛合金铆钉丝等)的定点供货单位,供应量可以在几千克至几吨的量级,满足了在役型号飞机和发动机的焊接材料批产需求,并根据新型号的设计需求,及时研制满足航空及其它军民用特殊用途的各类焊接材料。

  航空焊接修复与再利用的引领者

  航空燃气涡轮发动机的关键热端部件的工作条件日趋苛刻,因此它们经历一个使用周期后,往往会出现裂纹、烧蚀、变形、磨损等缺陷而失效。这就需要对失效的发动机关键热端部件进行延寿焊接修复。焊接修复与再利用技术是一个极具产业化前景的方向,用焊接修复发动机部件的成本是造一个新部件的10%~20%,而且比制造新部件明显节省生产周期,另外,焊接修复技术可节约Ni、Co、Cr、W、Mo、Re等金属原材料。

  航材院自“九五”起开始自主研究焊接修复技术,系统攻克了风扇和压气机叶片、涡轮工作叶片、涡轮导向叶片、整体导向器、机匣等部件的裂纹、磨损、烧蚀、打伤等缺陷的钎焊修复、熔焊修复技术,并建立起焊接修复可靠性评估技术。各类试修部件通过试车考核,获得使用方的高度评价。目前已经掌握了9个型号、30余类零件的焊接修复技术,共修复零件10000余件,均装机使用。而且经过实际飞行验证,相关焊接修复部件满足一个翻修周期要求,而且有的已经延长飞行寿命超过400小时。

  中国航空焊接技术的“梦之队”

  经过长期的发展,航材院逐渐确立了我国航空焊接技术的领先地位,具有完备的焊接软硬件技术条件。目前设有“钎焊扩散焊研究与工程技术中心”和“熔焊与特种焊”专业组,拥有先进的真空钎焊设备、真空和多气氛扩散焊设备、中压和高压电子束焊机、6kW光纤激光器、惯性摩擦焊机、电阻焊设备、自动弧焊机、焊接机器人、焊接模拟试验机等先进焊接设备,并建成航空电焊条、焊丝、钎焊料的全套生产线,以及钎焊修复和熔焊修复两条焊接修复生产线。航材院已经发展成为航空特种焊接材料研制和定点供应商,是航空焊接技能人员培训和资格认证工作定点单位,是中国焊接学会钎焊及特种连接专委会主任委员单位和秘书处挂靠单位,也是航空焊接工艺及质量检验标准编制的主要负责单位。

  航材院在焊接领域具有雄厚的技术积淀。仅最近6年来,针对特种焊接材料和焊接工艺方法,就申报了国家或国防发明专利66项,其中31项已经获得授权,并获得中航工业集团企业级别及以上科技奖励10项。除此之外,还先后出版了《航空钎焊技术》、《先进航空材料焊接技术》等焊接技术方面的理论专著,得到航空、航天焊接界的广泛好评。

  为了满足新一代航空航天武器装备的制造技术需求,航材院着眼未来,提前布局,重点解决轻质、耐高温结构材料(如高性能钛合金、钛基复合材料、钛铝金属间化合物、先进单晶高温合金、高温陶瓷材料以及超高温陶瓷基复合材料)的焊接技术问题,另一方面,大力发展焊接新技术,以解决常规焊接方法难以解决的技术难题。(杭材)

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