谷斌

摘 要 隨著航空制造業(yè)的快速發(fā)展，飛機(jī)先進(jìn)材料和結(jié)構(gòu)間的連接制造技術(shù)也正發(fā)生著日新月異的變化。文章簡(jiǎn)要介紹幾種民機(jī)先進(jìn)連接制造技術(shù)，并概述這些技術(shù)在波音、空客等國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 攪拌摩擦焊；激光焊；膠接；電磁鉚接；自動(dòng)鉆鉚

中圖分類(lèi)號(hào)：V26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）02-0001-02

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空制造業(yè)也發(fā)生了巨大的變化。特別是近十幾年來(lái)，隨著新材料、新結(jié)構(gòu)和新的設(shè)計(jì)理念的不斷涌現(xiàn)，飛機(jī)先進(jìn)的制造和設(shè)計(jì)技術(shù)在不斷創(chuàng)新和發(fā)展，民用飛機(jī)向新型的高性能、高輕型、高可靠性、高舒適型及長(zhǎng)壽命和低成本的方向發(fā)展和更新。為了滿(mǎn)足現(xiàn)代飛機(jī)新型輕質(zhì)合金、新型復(fù)合材料、夾芯材料及新型疊層板材料等結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展和廣泛應(yīng)用的需求，飛機(jī)材料或結(jié)構(gòu)的先進(jìn)連接技術(shù)也備受研究者的關(guān)注，并得到了廣泛的研究和發(fā)展。飛機(jī)結(jié)構(gòu)所承受的載荷主要通過(guò)連接部位進(jìn)行傳遞，這樣連接部位就容易發(fā)生應(yīng)力集中。據(jù)統(tǒng)計(jì)飛機(jī)機(jī)體疲勞失效事故的70%起因于結(jié)構(gòu)連接部位，其中80%的疲勞裂紋發(fā)生于連接孔處，因此，連接質(zhì)量極大地影響著飛機(jī)的壽命。針對(duì)不用連接材料或結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用恰當(dāng)?shù)倪B接方式具有非常重要的意義。

目前，國(guó)際上采用了多種先進(jìn)的連接制造技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用，提高了連接質(zhì)量，降低了制造成本，提高了工作效率，減輕了結(jié)構(gòu)重量等，具有一系列優(yōu)點(diǎn)。

1 攪拌摩擦焊接技術(shù)

攪拌摩擦焊是一種新的固相焊接方法。焊接過(guò)程中，攪拌頭旋轉(zhuǎn)下壓走過(guò)工件結(jié)合處，由于攪拌頭與被焊接工件強(qiáng)烈持續(xù)摩擦，產(chǎn)生極高的熱量，使被焊接金屬材料在攪拌頭附近溫度升高并熱塑變形，隨著攪拌頭沿著焊接界面向前攪拌運(yùn)動(dòng)，熱塑化金屬杯攪拌頭向后移動(dòng)，同時(shí)施加動(dòng)態(tài)壓力，在熱塑變形和壓力共同作用下，將金屬材料焊接在一起，形成致密的焊接接縫。

傳統(tǒng)加工方法，飛機(jī)壁板和加強(qiáng)筋是鉚接一起的，攪拌摩擦焊技術(shù)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉚接，這樣，就避免了在壁板上鉆孔，增強(qiáng)了壁板的抗疲勞能力。同時(shí)，由于省去了鉚釘，既減輕了結(jié)構(gòu)的重量又降低了材料成本。由于攪拌摩擦焊的諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)際上飛機(jī)制造公司如波音、空客、龐巴迪等已經(jīng)成功將這種技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)的連接和制造中，并繼續(xù)在開(kāi)發(fā)適合飛機(jī)結(jié)構(gòu)和材料的新型攪拌摩擦焊工藝方法。

攪拌摩擦焊技術(shù)特別適合于機(jī)身上平直加筋壁板和小曲率壁板中蒙皮和蒙皮的對(duì)接以及蒙皮和加強(qiáng)筋的連接，在大型民用飛機(jī)的機(jī)身蒙皮結(jié)構(gòu)連接制造中，已經(jīng)開(kāi)始用攪拌摩擦焊技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚接工藝，該技術(shù)已在空客A350-800和A350-900飛機(jī)中得到了應(yīng)用。隨著飛機(jī)制造公司對(duì)該技術(shù)的掌握和進(jìn)一步發(fā)展，攪拌摩擦焊技術(shù)可以應(yīng)用到很多個(gè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的連接制造中，如機(jī)身蒙皮的環(huán)向?qū)雍涂蚨沃g的裝配連接制造、飛機(jī)中空夾層結(jié)構(gòu)（如尾翼方向舵、副翼及襟翼等）封閉式結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊整體制造、飛機(jī)開(kāi)口部位（如艙門(mén)、窗口、檢修和維護(hù)口蓋等）的加強(qiáng)可以通過(guò)攪拌摩擦焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)鉚接頭制造、飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)中邊框和腹板的連接、飛機(jī)部分型材結(jié)構(gòu)（如儀器艙地板及隔板、座艙背板、貨倉(cāng)地板及斜臺(tái)地板等）的連接和制造。

2 激光焊接技術(shù)

激光焊接是將高強(qiáng)度的激光輻射到被焊接材料的連接處，激光照射到材料的表面施加能量，被焊接材料將吸收激光的能量轉(zhuǎn)化為熱能，使材料熔化交接在一起，然后冷卻結(jié)晶形成焊接。

激光焊接與其他焊接方法相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，焊接接觸面積小，焊接熱影響區(qū)金相變化范圍小，焊接的殘余應(yīng)力小，工件變形小，可以實(shí)現(xiàn)高精度焊接，可用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的微、小型工件的組焊中；焊接不受距離限制，可以焊接難以接近的部位，實(shí)施非接觸的遠(yuǎn)距離焊接，對(duì)于空間狹小不便操作的區(qū)域具有很高的靈活性，也可變換設(shè)備將激光束發(fā)送至多個(gè)工作站，進(jìn)行自動(dòng)化高速焊接；可以焊接難熔金屬，熱敏感性強(qiáng)的材料以及非金屬材料，比如鈦、石英、陶瓷及有機(jī)玻璃等。

在飛機(jī)制造中，激光焊接可用于蒙皮與長(zhǎng)桁的連接，取代傳統(tǒng)的鉚接。焊接速度快于鉚接，且易于自動(dòng)化操作，可以提高生產(chǎn)效率。由于省去了鉚釘、密封膠、墊板和止裂板，所以降低了制造成本，減輕了飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量。由于沒(méi)有鉚釘孔，沒(méi)有應(yīng)力集中，所以提高了蒙皮的抗疲勞性能和耐腐蝕性能。激光焊接還可用于大塊蒙皮的對(duì)接，比如機(jī)身蒙皮的環(huán)向和縱向?qū)?，焊接后的?duì)接質(zhì)量?jī)?yōu)良，沒(méi)有鉚釘頭和蒙皮搭接部分，外形光滑，保證了飛機(jī)更好的氣動(dòng)外形。

激光焊接技術(shù)已應(yīng)用于波音、空中客車(chē)等主要國(guó)際航空企業(yè)的飛機(jī)制造中，空客A380的機(jī)身壁板蒙皮與長(zhǎng)桁的連接采用的是激光焊接，此項(xiàng)工藝的應(yīng)用與傳統(tǒng)的鉚接工藝相比，節(jié)省制造成本大約20%，減輕重量大約10%，同時(shí)提高了抗腐蝕能力，縮短了生產(chǎn)周期。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中其他一些薄壁零件，如燃油導(dǎo)管、液壓導(dǎo)管、環(huán)控導(dǎo)管等異形封閉零件，在連接制造中可以采用激光焊接。隨著鈦合金等新材料的大量使用，這些零件傳統(tǒng)的焊接，對(duì)于薄壁材料引起的焊接變形超出公差范圍，并且焊接缺陷無(wú)法修復(fù)。激光焊接殘余應(yīng)力小，零件變形小，可以滿(mǎn)足質(zhì)量要求。

3 自動(dòng)化電磁鉚接技術(shù)

電磁鉚接（俄羅斯稱(chēng)磁脈沖鉚接）是一種短時(shí)高速成形技術(shù)，鉚釘在很短時(shí)間（一般為200 μm左右）內(nèi)完成塑性變形，釘桿的膨脹比較均勻，能在材料結(jié)構(gòu)的表面形成比較均勻的干涉量，減少安裝損傷，形成長(zhǎng)壽命、高可靠性的連接，有傳統(tǒng)鉚接方法無(wú)法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)?？梢杂糜诟鞣N材料鉚釘?shù)你T接成形。

電磁鉚接技術(shù)最初是手工的，波音公司在早期的機(jī)型如B727和B747等的機(jī)翼壁板上就采用了手工電磁鉚接技術(shù)進(jìn)行裝配。20世紀(jì)90年代開(kāi)始將該技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)化裝配上，并陸續(xù)用于波音B777、B767等機(jī)型的機(jī)翼壁板的自動(dòng)化裝配上。2007年EI公司針對(duì)以復(fù)合材料為主體的B787飛機(jī)，結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)將電磁鉚接技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上鐓鉚型鈦環(huán)槽釘?shù)淖詣?dòng)化安裝上，用于波音787復(fù)合材料機(jī)身段的自動(dòng)化裝配。空客從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，也陸續(xù)開(kāi)始將自動(dòng)電磁鉚接技術(shù)應(yīng)用到A320、A330、A340、A380等飛機(jī)的機(jī)翼壁板自動(dòng)化裝配上及金屬結(jié)構(gòu)鐓鉚型環(huán)槽鉚釘環(huán)圈的自動(dòng)安裝上。2006年為了滿(mǎn)足A320機(jī)翼壁板生產(chǎn)的需求，配備了先進(jìn)的機(jī)翼壁板自動(dòng)化電磁鉚接柔性裝配系統(tǒng)。endprint

4 數(shù)字化自動(dòng)鉆鉚技術(shù)

自動(dòng)化鉆鉚的過(guò)程是由編制好的程序在數(shù)控機(jī)床上運(yùn)行，一次性完成夾緊、鉆孔、锪窩、注膠、壓鉚、銑平等全部工序。

當(dāng)今世界民用飛機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，每家公司都在最求更高的安全使用壽命，以及更長(zhǎng)的維護(hù)周期，這就要求更高的鉚接質(zhì)量，自動(dòng)鉆鉚技術(shù)消除了鉚釘孔的毛刺，從而提高了結(jié)構(gòu)的抗疲勞性，采用機(jī)器設(shè)備鉆鉚保證了鉚接質(zhì)量的穩(wěn)定性，也提高了結(jié)構(gòu)的防腐蝕能力。自動(dòng)鉆鉚技術(shù)一般用于安裝工作量大、表面質(zhì)量要求嚴(yán)、種類(lèi)單一的緊固件和具有較好的開(kāi)敞性的裝配件。

空客德國(guó)在機(jī)身蒙皮鉚接時(shí)采用自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)和柔性裝配系統(tǒng)，脫機(jī)編程已經(jīng)應(yīng)用成熟，可直接與CATIA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換傳遞，實(shí)現(xiàn)數(shù)字自動(dòng)化鉚接，其自動(dòng)化鉚接水平世界領(lǐng)先，不僅保證了高級(jí)的鉚接質(zhì)量，也大大地提高了生產(chǎn)效率。波音767機(jī)身的機(jī)鉚率為97%。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，鉆鉚自動(dòng)化已經(jīng)從單臺(tái)數(shù)控鉆鉚機(jī)，向多臺(tái)自動(dòng)鉆鉚機(jī)或鉆鉚裝置、鉚釘傳送裝置、托架、真空吸屑裝置、傳感控制裝置等組成的計(jì)算機(jī)集成控制的柔性自動(dòng)裝配系統(tǒng)方向發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著民用飛機(jī)連接制造技術(shù)的不斷發(fā)展，使得飛機(jī)制造成本更低、制造周期更短且結(jié)構(gòu)性能更高。因此，飛機(jī)在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該考慮應(yīng)用新的制造技術(shù)，最好能夠預(yù)見(jiàn)設(shè)計(jì)結(jié)束后可能能夠應(yīng)用的最新制造技術(shù)，這些技術(shù)總的發(fā)展趨勢(shì)是向著飛機(jī)制造更精確、更經(jīng)濟(jì)、更自動(dòng)化和飛機(jī)飛行更環(huán)保、更安全的方向發(fā)展。

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