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飞机在制造过程中能否采用焊接工艺?当然不能!

焊接是现代制造业中被广泛采用的一项工艺,具有速度快、密封性好等优点,在航天、船舶和汽车制造中大显身手。那么,飞机在制造过程中能否也采用焊接工艺?


答案是否定的。主要原因有如下几个方面:


首先是飞机的制造材料造成的


在波音787和空客A350XWB问世前,现代飞机的主要制造材料是铝合金。这种材料有一个突出的特点——焊接性能极差。采用传统的焊接方式焊接后,焊接区域局部有应力集中,使得金属变脆,而且易产生砂眼、气泡、微裂纹等缺陷,使得结构在这些位置的性能低于非焊接区。这在飞机制造中是不能接受的。


虽然现在也有一些特殊的焊接工艺,比如搅拌摩擦焊接和激光焊接,但相关技术过于复杂,而且难以保证工艺稳定性。对于同一种材料来说,越薄越不容易焊接。飞机蒙皮厚度一般只有2毫米左右,即便能够焊接,难度也会很大,非一般操作人员能够胜任,不利于飞机批量生产。


波音787和空客A350XWB机体以复合材料为主,这些复合材料是多种单一材料通过复合的方法,再经过特殊工艺制成的,焊接的难度比铝合金还要大,制造商几乎不使用焊接。


其次是飞机的工作特性造成的


飞机在高空高速飞行时,机身蒙皮承受的是拉力。发动机在工作时存在振动,同时飞机自身也会产生振动。飞机在每个航班中经历的各种力都是不断变化的,会存在疲劳问题。而拉力、振动和疲劳,都是引起焊接性能退化的主要原因。


飞机在这样的环境中长时间工作,就可能在焊接处萌生细小裂纹。更可怕的是,接下来裂纹会沿着焊缝一直扩大,甚至导致飞机在空中解体,发生机毁人亡的惨剧。而铆接和螺接具有很好的抗振动、抗疲劳等特点,而且由于有连接孔的存在,天然地具有抗裂纹继续扩大的能力。


最后是飞机的使用特性造成的


飞机的使用寿命一般都在20年以上,机体内有很多复杂而精密的仪器,在长时间使用过程中,各种器件都有可能出现不同程度的损坏,采用铆接便于维修和更换。如果采用焊接的话,飞机的蒙皮就要全部进行更换,这样会增加维修费用和单次维修难度。即便不发生任何设备故障,也需要定期对飞机进行检查和维护,包括需要把连接的部位拆开进行检查和维护。焊接是一种不可拆卸连接,一旦拆开,结构就被破坏了。


那么,为什么飞机制造主要采用铆接,而航空器、造船则基本用焊接?


焊接具有速度快、密封性好等优点,在航天、船舶和汽车制造中大显身手。铆接和焊接都是现在制造业被广泛采用的一项工艺 ,铆接具有连接变形小,对连接环境要求低,适合薄件连接等特点主要考虑三个方面,材料特性、工作环境和使用寿命。


材料特性


为保证飞机的重量轻体积大的要求,在波音787和空客A350XWB问世前,现代飞机的主要制造材料是铝合金。这种材料有一个突出的特点——焊接性能极差。采用传统的焊接方式焊接后,焊接区域局部有应力集中,使得金属变脆,而且易产生砂眼、气泡、微裂纹等缺陷,使得结构在这些位置的性能低于非焊接区。这在飞机制造中是不能接受的。


虽然现在也有一些特殊的焊接工艺,比如搅拌摩擦焊接和激光焊接,但相关技术过于复杂,而且难以保证工艺稳定性。对于同一种材料来说,越薄越不容易焊接。飞机蒙皮厚度一般只有2毫米左右,即便能够焊接,难度也会很大,非一般操作人员能够胜任,不利于飞机批量生产。


波音787和空客A350XWB机体以复合材料为主,这些复合材料是多种单一材料通过复合的方法,再经过特殊工艺制成的,焊接的难度比铝合金还要大,制造商几乎不使用焊接。


工作环境


飞机在高空高速飞行时,机身蒙皮承受的是拉力。发动机在工作时存在振动,同时飞机自身也会产生振动。飞机在每个航班中经历的各种力都是不断变化的,会存在疲劳问题。而拉力、振动和疲劳,都是引起焊接性能退化的主要原因。


飞机在这样的环境中长时间工作,就可能在焊接处萌生细小裂纹。更可怕的是,接下来裂纹会沿着焊缝一直扩大,甚至导致飞机在空中解体,发生机毁人亡的惨剧。而铆接和螺接具有很好的抗振动、抗疲劳等特点,而且由于有连接孔的存在,天然地具有抗裂纹继续扩大的能力。


而航空器主要考虑的是密封性,进入宇宙中在真空的环境下不必须考虑大气层的摩擦力,连声音也很难传递,共振也是不必考虑的范畴。


使用寿命要求


飞机的使用寿命一般都在20年以上,机体内有很多复杂而精密的仪器,在长时间使用过程中,各种器件都有可能出现不同程度的损坏,采用铆接便于维修和更换。如果采用焊接的话,飞机的蒙皮就要全部进行更换,这样会增加维修费用和单次维修难度。即便不发生任何设备故障,也需要定期对飞机进行检查和维护,包括需要把连接的部位拆开进行检查和维护。焊接是一种不可拆卸连接,一旦拆开,结构就被破坏了。


而航天飞行器多数回收利用几次就废弃了,不必过多的考虑使用寿命和原件更换,所以才有更快更方便的焊接就可以理解了。


对比之下,航空航天焊接技术有哪些?


航空航天焊接技术要求主要有以下几点:


搅拌摩擦焊接技术要求


搅拌摩擦焊接技术是近年来国际上发展较快的技术之一,具有对被焊材料损伤小、焊接变形低、焊缝强度高和绿色制造特点,被誉为“当代最具革命性的焊接技术要求”。由于其在制造成本、焊接质童以及节能环保等方面具有许多独特的优势,近年来,搅拌摩擦焊接技术和设备已在世界范围内得到广泛而深入的研究。搅拌摩擦焊在航空航天业的应用主要包括以下几个方面:机翼、机身、尾翼;飞机油箱;飞机外挂燃料箱;运载火箭、航天飞机的低温燃料筒;军用和科学研究火箭和导 弹;熔焊结构件的修理等。


近年来,尽管我国搅拌摩擦焊接技术要求取得了较大的发展,但与国外相比,我国在基础研究、设备研制及生产应用方面还存在一定差距,生产应用中涉及被焊材料范围小、所测接头性能数据少,而且缺乏统一的焊接质量检验标准。当务之急应是引人竞争机制,集全国之力,产学研结合,重视基础理论研究,提高设备制造水平,建立统一的焊接质量检验标准,以期降低生产应用成本,加速搅拌摩擦焊接技术以及薄板焊接在我国的工程应用。


激光焊接技术要求


激光焊接技术具有可焊各种金属材料、焊接速度快(是传统弧焊的几倍,甚至是几十倍)、焊缝深宽比大(最大达12:1 )、焊接变形小、易于实现柔性自动化等特点,被公认为是21世纪最有发展潜力的高能束流焊接技术之一。


激光焊接技术要求广泛应用于航空航天制造业,特别是武器装备和飞行器结构制造中,如飞机大蒙皮的拼接、蒙皮与长衍的焊接、机身附件的装配(如腹鳍和襟翼的翼盒)、薄壁零件的制造(如进气道、波纹管等)以及航空涡轮发动机叶片的修复、合金飞行舵翼焊接、燃料贮箱加强筋条激光焊代铆等。激光焊接技术要求能够显著降低成本、提高生产效率、减轻武器和飞行器的重量,是传统焊接技术的有效补充,已成为现代航空航天工业生产中必不可少的加工工艺手段之一。在其他行业,比如说不锈钢水箱行业也经常用到激光焊接技术。


电子束焊接技术要求


电子束焊接技术是以高能密度,电子束作为能量载体对材料和构件实现焊接和加工的新型特种加工方法,具有功率密度高、焊接热输入小,零件变形小、焊后残余应力小、焊缝深宽比大、焊接接头无氧化、焊缝质虽好等优点。


作为一种精密焊接工艺,电子束焊接技术要求广泛用于航空航天工业多种零部件的加工中,如飞机的结构件(起落架、框、腹鳍等)和发动机转子部件、燃烧室机匣高压涡轮组件以及航空继电器及波纹管的焊接等。现在,电子束焊接技术已经成为大型飞机制造公司的标准配置,是制造飞机主、次承力结构件和机翼骨架的必选技术之一,也是衡量飞机制造水平的一把标尺。


焊接技术要求的严格控制才能制造创新出更为先进的航天技术,虽然这只是整个航天蓝图中看起来不起眼的一小部分,但是往往却是细节决定成败。


文章来源: 机械工程师,焊割在线

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