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航空制造業中的焊接奇兵--釬焊

作者:admin 來源:未知 日期:2010-2-21 15:16:15 人氣: 標簽:
航空制造業中的焊接奇兵--釬焊
 
 
 

在航空領域,新材料的連接及精細結構的制造,推動了釬焊技術的快速發展,其在航空制造業中的應用也越來越廣泛。
新材料、新技術的發展為航空技術提供了較大的發展空間,新材料與新技術在航空制造業中也得到廣泛的應用。釬焊技術可以很好地完成某些新材料的連接與精細結構的制造。各種新型釬焊材料以及與之配套的釬焊技術都得到了深入的研究。因此釬焊技術在航空制造業中的應用越來越多,并可應用在重要部件的連接上。
新型航空材料的釬焊技術
1. 鈦合金的釬焊技術
鈦合金是航空領域的關鍵性技術,美F-22隱身戰機采用了多達45%的鈦金屬。圖1為美F-22型隱身戰斗機。在航空制造業中,例如飛機構件和航空發動機,有許多需要釬焊的鈦合金構件。早期航空工業中多采用銀基釬料與鋁基釬料的釬焊。鈦因其強度、輕度和抗腐蝕性能得到人們重視,從20世紀70年代開始,鈦合金釬焊技術得到了較大的發展,并開始應用于航空工業中。圖2、3分別為應用鈦合金制造的軍用發動機外罩和飛機鈦合金接頭。
Ti3Al基鈦合金釬焊的研究試驗表明,Ti-Cu-Ni系釬焊接頭室溫拉伸強度與母材接近,但在649℃和760℃時僅為母材的70%~80%。近年來國內外對Ti3Al基鈦合金釬焊工藝進行了深入的研究,制得的釬焊接頭的強度接近母材。使用Ti-15Cu-15Ni釬料釬焊TiAl基合金獲得了較好的試驗結果,例如采用1100~1200℃/30~60s紅外感應加熱的工藝,所得試樣的剪切強度可達到319~322MPa。
 
2. 復合材料的釬焊技術
(1)顆粒增強鋁基復合材料的釬焊
在鋁基合金中添加石墨、SiC、Al2O3顆粒,可以有效地提高基體的彈性模量、高低溫強度、疲勞性能和耐磨性。因此這類復合材料的釬焊在航空制造業及其他領域具有廣闊的應用前景。
釬焊工藝簡單可行,是最適用Al基合金的焊接方法。軟釬焊通常在低于450℃環境下采用Cd-Ag或Zn-Al釬料釬焊B/Al。美國制造的釬焊B/Al管OVI衛星發射架,其接頭剪切強度可達到80MPa。
值得注意的是,焊接過程的溫度對接頭界面強度有一定的影響,并會降低復合材料本身的性能。因此尋求具有較低釬焊溫度的釬料是金屬基復合材料真空釬焊研究的目標。國外通常采用的真空釬焊釬料有Cu-50Ni、Ti-Zr-Cu-Ni,焊接方式有層壓板或非晶態箔。采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶態箔釬焊接頭的拉伸強度可與基板相當。
(2)電子封裝用復合釬料的釬焊
通常電子封裝設計用復合釬料不會影響其本省合金系統的潤濕性等工藝性能參數,所以從試驗到應用所經歷的周期較短,把它們直接應用到生產中會變得簡單方便,切實可用。電子封裝、微電子機械系統、汽車、航空航天、國防等領域將成為此技術的首要受益領域。
在航空航天和國防領域中,由于這些服役環境經常含有熱量的波動,釬焊接頭具有優良的熱力疲勞性能,對于應用釬焊接頭至關重要。為了模擬釬焊接頭在航空航天以及國防領域的服役環境,熱力疲勞試驗的溫度極限將確定為-40~125℃。圖4、5分別為模擬熱疲勞試驗的曲線以及釬焊接頭結構。
(3)陶瓷及陶瓷基復合材料的釬焊
陶瓷及陶瓷基復合材料是高性能渦輪發動機高溫區極好的結構材料,可用于火焰穩定器及渦輪葉片等,是未來先進航空發動機的重要材料。
釬焊可以有效地完成陶瓷與金屬的連接。但陶瓷連接接頭的強度和耐熱溫度與實際應用的要求相比仍有較大的距離。因此高溫釬料的開發一直是一個研究熱點。
外研究機構嘗試采用含有貴重金屬或以含有貴重金屬Au、Pd、Pt或Ag-Pd為基的新型高溫釬料完成Si3N4陶瓷與金屬的連接,但其耐熱溫度也一般不會超過700℃。此外,采用Ni-50Ti釬料完成SiC陶瓷與金屬的釬焊,其接頭在700℃時的剪切強度可達到260MPa,但其耐熱溫度仍不夠高,并且對應的釬焊溫度高達1550℃,顯然不適用于陶瓷與普通高溫合金的連接。
目前,北京航空材料研究院設計了用于SiC陶瓷釬焊的Co-Ni-Fe-Cr-Ti系高溫合金釬料,使用急冷非晶釬料薄帶,獲得的SiC/SiC釬焊接頭在室溫到800℃溫度范圍內的三點彎曲強度值可穩定在160~184MPa之間。但該釬料釬焊接頭的力學性能仍有待進一步改進。
 
 
航空新結構的釬焊技術
1. 復合層板氣冷結構的釬焊
多孔復合層板氣冷結構是大推重比高性能發動機采用的先進冷卻結構,多用于燃燒室和渦輪葉片。通常是將帶有復雜冷卻回路的多孔層板用釬焊技術復合成氣孔結構,并采用沖擊冷卻、內部強制冷卻和氣膜冷卻的綜合冷卻方式,以達到最佳的冷卻效果。
2. 復雜精細鋁合金結構部件的真空釬焊
現代航空制造業中的結構部件越來越復雜和精細,例如,新一代相控陣天線常常采用鋁合金釬焊結構的陣列單元和安裝座。國外制造平板縫陣天線時,先用精密數控或電火花加工出天線元件,再采用鹽浴釬焊或真空釬焊的方法焊接成一體。而鹽浴釬焊具有污染環境、殘留溶鹽難于清洗、不適用于封閉結構等缺點,因此逐漸被真空釬焊所代替。
近幾年來,北京航空材料研究院與相關單位合作對有關天線的真空釬焊進行了研究,采用真空釬焊對完成了多層結構平板縫陣天線的釬焊,所釬焊天線焊著率基本達到100%,整體平面度小于0.1mm,釬縫成形美觀。
鋁合金真空釬焊工藝中有待進一步研究的問題就是需要研制具有低熔點的釬料、研究適用于可熱處理強化鋁合金的較低溫度的真空釬焊技術。北京航空材料研究院研制的Al-Si-Cu-Ni-RE釬料,熔化溫度范圍為508~524℃,對多種鋁合金均具有良好的潤濕性,可加工成非晶態箔材使用。
3. 航空導管的感應釬焊
飛機上的液壓和氣壓導管焊接,大量采用感應釬焊。導管的感應釬焊分為固定式釬焊和安裝釬焊。感應釬焊裝置的設計原則是重量輕、便于釬焊操作、感應圈的形狀應使工件加熱溫度均勻,同時能使導管定位。
 
釬焊技術在航空發動機部件修復中的應用
在航空發動機高壓渦輪葉片和熱端部件的生產中,由于這些部件結構復雜,并且多為精鑄件,通常合格率很低,往往因為部件出現沙眼、氣孔、裂紋以及夾渣等小缺陷而報廢;而合格的部件在工作一段時間后,總會有一定數量的部件由于出現缺陷(如裂紋、磨損、燒蝕等)而失效,如果能將生產和使用過程中產生的缺陷修復,使部件可以重新投入使用,其效益將非?捎^。
釬焊及以釬焊為基礎的一些新的修復技術,是航空發動機部件修復技術中的重要組成部分。
加拿大Liburdi公司采用粉末釬焊技術修復的航空發動機葉片以達到與新葉片同等的壽命,并可在現役發動機上服役。北京航空材料研究院采用大間隙釬焊技術成功地修復了某發動機高壓渦輪二級導向葉片的鑄造裂紋,補焊的葉片已通過了地面試車和空中飛行試驗,效果良好。北京航空制造工程研究所采用真空電弧釬焊工藝釬焊的K417合金接頭在900~950℃高溫下具有優異的力學性能,也可用于修復渦輪葉片。
 
 
釬焊接頭的無損檢測技術
由于釬焊新結構在未來飛機和發動機中將得到廣泛的應用,因此檢測這類結構釬焊接頭質量的無損檢測的技術也需要進一步研究。對于焊縫一面為平面或近似平面的結構,可采用超聲C掃描檢測焊縫中的未焊合、氣孔等缺陷。渦流檢測技術已用于檢測釬焊蜂窩的焊料分布情況,滲透檢測技術則被用于焊縫外緣焊合情況的檢測。國內近年來也在釬焊接頭的無損檢測方面進行了研究,如采用超聲C掃描檢測釬焊蜂窩封嚴環和釬焊雷達縫陣天線、多孔層板的表層焊縫等,達到了良好的檢測效果,但對于多層結構的內部焊縫尚未找到合適的檢測方法。
新型材料的發展與高性能航空新結構的設計需求為釬焊技術提供了廣闊的應用空間,同時提出了極大的挑戰。事實上,許多新材料如高溫結構材料、航空用復合釬料等的連接基本上還處于空白,許多技術難題還有待于進一步研究解決。
 
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