焊接科学在航空工业上的重要性

徐碧宇

不平凡的1882年，俄罗斯的伟大发明家A.莫查伊斯基制成了世界上第一架飞机，俄罗斯另一伟大发明家H.别纳尔多斯也首先创造了金属极电弧焊法。虽然当年没有人明确地意识到两者之间的深切关系，但在它们的发展过程中，这两门在国防和国民经济上有巨大作用的科学技术，却一直是相互推动并肩前进，而且是关系日益密切的。在1957年，由于创造了电渣焊，巴东电焊研究所和飞机设计家A.图波列夫的设计集团同时获得了列宁奖金。

苏联B.波伊错夫教授在“焊接生产”杂志上著文说，近年来航空工业发展的特点是焊接和钎接的应用不断地迅速增长。假如说在已往飞行速度和高度不大的航空时期，靠铆钉连接就可以满意地解决飞行器的连接问题，那么在飞行器进一步发展的过程中，焊接就逐渐占了主导地位。现在，航空工业已是焊接使用量占首要地位的工业之一，远远超过了汽车工业。

飞行器不断发展，要求飞得更高更快更远更安全。要达到这个目的，就不能仅仅限于空气动力和结构设计的改善，还需要特殊材料，和良好的制造技术，才能使其比较轻而坚强。轻可以节省动力增加有用载重，强是要能够承受大的应力；所以飞行器常常用强重比来标志它的效率。而且，近代的飞行器由于高空高速飞行对于气密性和表面光滑有更严格的要求。我们知道，焊接生产率高，节省金属，重量较小，接头强度高，表面比较光滑，是能适应飞行器日益提高的这些要求的。过去，飞机机体生产中，焊接只占连接工作总量的0.3～1.0%。随着飞行器的发展，焊接工作量已迅速加多，1945年约占15～30%，1954年为40～60%，到1958年焊接约为连接总量的50～70%。而喷气发动机、火箭和导弹的连接，更几乎全是焊接的。

以前，飞机上广泛使用铆接，需要钻孔，去毛刺，打铆钉等工序，这样，把整块材料钻上孔，又填进铆钉，而且多出铆钉头，便要多费工时，多费材料，增加重量。如果铆钉头露在外面，还要增加飞行时的废阻力。为了增加速度和摆脱地心吸力的约束，减小阻力和减轻重量具有重大意义。据估计，用点焊代替铆接，平均每替换5千个铆钉头约可以省去1公斤重量。新式重型飞机上有150万个焊点，还没有替换全部铆钉，就以这种情况论，大约也省去了铆钉头重量300公斤。为了保证气密性，需用密封膏堵塞可能漏气的铆接缝，经验证明，较大的运输机约需密封膏200公斤，何况使用密封膏还得增加工时。所以很明显，从生产率、重量、光滑和气密性来看，焊接都比较好。这些重量似乎数字不大，实际上却不能忽视。飞机结构重量增加1公斤，相应地要增加机体、燃料和动力装置等的重量6～10公斤。对于20吨的超音速飞机来说，减轻结构重量5%，可以增加航程7%，在不改变起飞重量的条件下，能增加有效载荷24%。而远射程导弹每增加结构构件重量1公斤，相应地要增加燃料、弹体等总重量约30公斤。如果减轻0.45公斤重量，可能提高射程12.8公里。

多年飞行的经验有力地证明了焊接接头有很高的强度。某式飞机600架，每架有9千个焊点，经过1800飞行小时，没有一个焊点破坏。在新式焊机上连续焊接的30个焊点中，仅个别焊点强度值较小，变化不超过4%。经过X射线检验的30万个焊点中只有2～3%的焊点有缺陷。合金钢的焊接接头，经过焊后热处理已达到210公斤/公厘2的强度，约为普通结构钢的2倍。因此，虽然航空工业建立初期，焊接仅用于次要结构，现在则许多重要结构，如飞机机身和机翼的骨架和蒙皮，发动机架，螺旋桨，炮架，油箱等等，也广泛采用焊接了。

喷气发动机更是大量使用焊接，绝大部分的连接都是焊接和钎接。有一种喷气发动机结构焊点约3400个，定位焊点约4700个，滚焊140公尺，其他焊接17公尺。某些喷气发动机已用到3万个点焊焊点和300公尺滚焊焊缝。近年来火箭和导弹更为焊接和钎接开辟了新的天地，几乎全部连接都是焊接和钎接，这就无怪乎苏联专家，技术科学博士A.阿洛夫曾说过：“火箭和导弹的纪元，也就是焊接的新纪元”。

先锋号火箭采用了焊接的轻金属结构。火箭机体纵缝全是保护气体弧焊焊成的。液体燃料箱和氧化剂箱也全由点焊、滚焊和熔融焊焊成。美国焊接杂志1958年8月号也提到：导弹，火箭，喷气飞机，原子能动力厂，化工设备和其他数以千计的新产品，如果不采用焊接，几乎是不可能制成的。

现在再看看焊接的生产率和经济性。一般手打铆钉的速度是每分钟6个铆钉，机压铆钉每分钟9个，点焊则是每分钟33个焊点。手工电弧焊和气焊每小时能焊接约10公尺的焊缝；自动电弧焊和滚焊则是每小时焊接几十公尺到一百几十公尺焊缝。

以上虽仅是概括叙述，我们仍不难明了为什么在短短的几十年中，焊接和航空工业同样取得了巨大的发展和成就。

应该指出，同其他工艺方法比较起来，焊接还很年青，航空装备的要求又特别严格，所以焊接在航空工业中尽管已广泛地大量使用，但确实还没有达到可以和应该达到的地步。尤其是在人类进入星际航行的时代，飞行器必然要遇到许多新的问题，有更多的特殊材料被应用着。就以目前而论，过去工业上几乎很少采用的钛、钼、锆、铌等及其合金，陶瓷和陶瓷合金，烧结铝等等，随着火箭，导弹，原子能发动机的问世而日益广泛应用，这些新的材料的焊接还存在着不少问题，通常的焊接方法不能满足需要。许多高温钎接问题也是目前各国全力寻求解决的课题。由此可见，摆在航空焊接工程师和科学家面前的责任是多么重大，而他们又有着多么广阔的天地来施展自己的才能，为建设祖国的伟大航空事业服务。