航空航天中轻合金焊接工艺的探究

◎王佐臣

在航空航天工艺术技术不断成熟的当下，轻合金的焊接工艺成本较低，焊接质量更高，运用该焊接工艺制造的航天器更加轻盈与灵活。现阶段，轻合金领域的研究更加深入，焊接技术的发展，推动了航空航天事业的发展，轻合金焊接件以其安全、可靠的特点，使飞行器的负荷得以降低，生产效率得以明显提升。

一、可焊性铝锂合金的研究进展

目前，铝锂合金在液体运载火箭以及飞行器方面发挥着重要的作用，同时还应用于仪器舱与导弹航等制造领域，其具有密底低、强度高以及弹性良好的特点，可以应用于承受轴结构件的制度当中，可以实现负载的有效降低，对外力具有较强的抵抗作用。同时，由于铝锂合金具有重量轻的特点，铝锂合金逐渐取代了铝合金而成为航空航天飞行器的主要结构件。在焊接过程中，通过精良的焊接工艺也使铝锂合金的作用得以发挥，使导弹弹头壳强度更高、刚性极佳，这对火箭推进剂的稳定提供了保证。20世纪90年代，原苏联的航空研究中心在铝锂合金的技术上有了进一步的延伸，将1450Al-Li合金升级为460A1-Cu-Li-Mg-Zr-Sc系合金，强度和性能有了更大的提升。

二、航空航天中轻合金焊接工艺及其应用探究

1.熔化极气体保护焊。

熔化极气体保护焊在焊接熔池或高温金属时，其焊接成本较低，此方法主要是以特殊的电弧焊方法作为电弧介质，进而使焊接工艺的质量得以保证。此焊接艺术在世界范围内的应用较为广泛，是火箭烯料贮箱内的主要焊接构件。同时，此技术以其先进的自动焊接功能被应用于爱国者导弹的弹翼，使不锈钢翼的制作板材稳定性更佳，安全性更高。

2.钨极气体保护焊。

与熔化极气体保护焊的成本优势不同，钨极气体保护焊只有在热源充足的情况下才可以进行焊接，如无法保证焊接热源、焊接资金不足，乌极气体保护焊的技术效果将难以发挥。并且，在焊接6mm以下的飞机管路系统、鱼鳞门、不锈钢、发动机散热器核心等构件上，钨极气体保护焊的焊接效果更佳。在焊接土量与火箭的燃料贮箱时，仅采用熔化极气体保护焊进行焊接难以实现焊接变形，因此，必须应用钨极气体保护焊，才可以提高焊接质量，制作出工艺精良的燃料贮箱。

3.可变极性等离子弧焊。

此焊接技术在厚度中等的铝合金材料方面的应用较为广泛，在航空航天领域，主要应用于外油箱厚截面型材的焊接。可变极性等离子弧焊的焊接原理是其正极与负极所发挥的作用并不相同，正极可以实现金属的熔融与穿透，而负型由可以实现型材阴极的钝化。在数值控制方面正极与负极的标准都较为明确，与负极电流相比，正极电流高出范围为40至80A。同时，在焊接外油箱时，采用可变极性等离子弧焊进行焊接可以显著提升焊接工艺质量，同时也可以有效节约焊接成本。

4.电子束焊。

从焊接强度层面分析，与钨极气体保护焊相比，电子束焊的焊接强度更高。二十世纪五十年代，外国专家通过实践发现，在焊接超过8mm的中厚板材时，电子束焊的焊接效率更高，同时焊接工艺质量极佳。其不足之处是，必须在真空环境才可以完成电子束焊操作，因此，焊接成本较高，由于空间的限制，无法焊接尺寸较大的焊件。军用飞机所应用的型材必须具有较高的强度，通常钛合金材质应用较多，然而由于其性质并不稳定，极易在空气中氧化，因此，可以采用电子束焊的方式在真空环境进行焊接。从20世纪70年代开始，电子束焊焊接就被美国的麦道公司开始使用在F15战机的机翼和机尾结构上，随后，F14、F22、飓风等都通过电子束焊进行焊接变截面构件、机身、尾翼等结构上。此外，俄罗斯能源号的火箭贮箱面积很大，需要通过电子束焊进行真空焊接，使用电子束将介质液体实施密封，最终顺利焊接成1460Al-Li合金。所以，能源号火箭才成功将暴风雪号航天飞机运载升空。

5.搅拌摩擦焊。

在1991年，英国发明了一种固态焊接技术—搅拌摩擦焊，能够成功将变形的机械进行金属焊接。事实上，搅拌摩擦焊主要是继承原有的焊接技术，通过特殊制作的摩擦头操作需要被焊接的构件上，在压力的作用下，摩擦头能实现可控制的旋转，将焊接部位升温发热变形后才进行焊接。因此，搅拌摩擦焊最大的特征是接头没有裂纹、气孔，更不会存在杂质，就能在不飞溅金属液体的情况下，进行材料的焊接。而且，由于焊缝的热源影响不大，焊接的区域面积更加能方便掌握，即便是非常小的焊接组织，也可以轻松连接。此外，搅拌摩擦焊的焊接强度又有了新的提升，在用电弧焊的基础上提升了60%，材料的厚度也更加精细，能实现1.2-55mm的构件焊接。

6.超塑成形／扩散连接。

超塑成形／扩散连接技术不仅能实现超塑成形焊接，还能够将扩散的金属状态成功实现粘合，焊接成为一个整体性的结构，技术质量有了进一步的提高，能快速生产出符合飞机使用的钛合金零件。因此，此技术与钛合金上的完美融合，进一步推广了超塑成形／扩散连接技术的研究开发。英国宇航公司Bae的125／800出口舱门，自从使用超塑成形／扩散连接技术的钛合金舱门后，由原先的78个部件直接减少到14个部件，从千余个紧固件缩减到不到一百个，成本得到了有效的控制。

三、前景展望

在构件改造方面，轻合接焊接工艺不断发展，极大的提高了构件的质量与性能，同时也实现了制作成本的有效控制。现阶段，焊接技术的研发得到了相关领域的关注，在航空航天领域的应用也更加广泛，可以使军用或民用飞机结构更加稳定。此外，钛合金以及铝锂合金的焊接技术应进一步应用与发展，进而为航空航天事业在国际竞争中地位的提升奠定基础。

结语：铝的导电性能良好，密度较小，具有较高的机械强度，基于这些物理物性，铝在工业领域的应用越来越广泛。现阶段，铝及轻铝合金逐渐应用于航空航天领域，其焊接工艺不断提升，应用范围不断拓展，未来，轻合金焊接工艺必然进一步发展，进而可以有效促进铝合金在各个领域的应用与发展。