對(duì)航空領(lǐng)域未來(lái)先進(jìn)焊接裝備與工藝的展望

【摘要】隨著工業(yè)4.0的提出以及國(guó)家對(duì)航空制造業(yè)的關(guān)注，航空制造業(yè)的革命迫在眉睫。隨著世界經(jīng)濟(jì)、軍事和科技的迅猛發(fā)展，航空航天技術(shù)已經(jīng)成為提高國(guó)家綜合國(guó)力的重要途徑和手段。在航空裝備中新材料的引入，新工藝的應(yīng)用，新設(shè)備的使用都推動(dòng)著我國(guó)向飛機(jī)制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。為了保證新材料和新結(jié)構(gòu)在航空航天產(chǎn)品中的有效應(yīng)用，新的特種焊接技術(shù)和設(shè)備的廣泛應(yīng)用與新工藝的開(kāi)發(fā)起到了至關(guān)重要的作用。本文就對(duì)航空領(lǐng)域現(xiàn)有設(shè)備與工藝方法進(jìn)行剖析，并對(duì)未來(lái)的方向進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】激光焊接；冷金屬過(guò)渡焊接；航空領(lǐng)域

一、前言

手工鎢極氬弧焊機(jī)（TIG），手工惰性氣體保護(hù)焊（MIG）機(jī)，手工等離子切割機(jī)，埋弧焊接設(shè)備等，以上幾類設(shè)備在各大型飛機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，阻礙了我國(guó)航空制造業(yè)生產(chǎn)水平的提升，限制了批量產(chǎn)品的一致性，難以滿足高精度要求產(chǎn)品的制造要求。其次，需要大量的人力投入，增加了生產(chǎn)成本。同時(shí)，對(duì)工人的操作技能要求較高。

然而熱絲TIG焊接專機(jī)、機(jī)器人激光電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)、微束等離子焊接機(jī)床、攪拌摩擦焊焊機(jī)、冷金屬過(guò)渡焊接機(jī)等將是未來(lái)航空領(lǐng)域的主要應(yīng)用設(shè)備。

二、焊接設(shè)備

1.熱絲TIG焊接專機(jī)

熱絲TIG焊是在普通TIG焊的基礎(chǔ)上增加了加熱系統(tǒng)， 即通過(guò)獨(dú)立的焊絲加熱電源和加熱裝置對(duì)焊絲進(jìn)行加熱，使得焊絲在被送入熔池前加熱到300 ～ 500℃。因此，與冷絲相比，熱絲TIG焊的熔敷率提高兩倍，提高了焊接效率。若將該種焊槍做成扁平狀，加水冷、自動(dòng)送絲、自動(dòng)提升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，能伸入坡口間隙為10mm左右的坡口進(jìn)行焊接，目前能焊接的板厚可達(dá)100mm，實(shí)現(xiàn)窄間隙焊接。

此系統(tǒng)與專機(jī)集成使用使得其優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，無(wú)論是環(huán)縫焊接、縱縫焊接，還是特殊形式的焊接均能將熱絲TIG的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)到產(chǎn)品上。

2.機(jī)器人激光電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)

激光焊接是利用激光作為能量源的一種高效的焊接方法，其特點(diǎn)有能量密度大、熱輸入量低、焊速高 、深寬比焊縫大、熱影響區(qū)窄、焊接變形極小且焊接過(guò)程中與工件不接觸等。

激光電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)是一種新興的特種制造技術(shù)。它是將物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同的兩種熱源復(fù)合在一起，同時(shí)作用于同一加工位置，既充分發(fā)揮了兩種熱源各自的優(yōu)勢(shì)，又相互彌補(bǔ)了各自的不足，從而形成一種全新高效的熱源。其原理示意圖見(jiàn)圖1，焊接方向從右向左。

激光焊接設(shè)備結(jié)合機(jī)器人、變位機(jī)、視覺(jué)傳感和激光跟蹤系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)三維空間焊接及柔性焊接[李亞江]。

3.微束等離子焊接機(jī)床

此設(shè)備是將微束等離子與機(jī)床結(jié)合，并充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)的一套精密焊接設(shè)備。適用于薄件精密焊接。

微束等離子焊接是一種小電流（通常小于30A）熔合型焊接工藝，為了保持小電流時(shí)電弧的穩(wěn)定，一般采用小孔徑壓縮噴嘴（0.6～1.2mm）及聯(lián)合型電弧。即焊接時(shí)存在兩個(gè)電弧，一個(gè)是燃燒于電極與噴嘴之間的非轉(zhuǎn)移弧，另一個(gè)為燃燒于電極與焊件之間的轉(zhuǎn)移弧，前者起著引弧和維弧作用，使轉(zhuǎn)移弧在電流小至0.5A時(shí)仍非常穩(wěn)定，后者用于熔化工件。微束等離子弧是等離子弧的一種。在產(chǎn)生普通等離子弧的基礎(chǔ)上采取提高電弧穩(wěn)定性措施，進(jìn)一步加強(qiáng)電弧的壓縮作用，減小電流和氣流，縮小電弧室的尺寸。這樣，就使微小的等離子焊槍噴嘴噴射出小的等離子弧焰流，如同縫紉機(jī)針一般細(xì)小。可焊更薄的金屬，最小可焊厚度為0.01mm，并且在弧長(zhǎng)在很大的范圍內(nèi)變化時(shí)，也不會(huì)斷弧，保持柱狀特征，焊速快、焊縫窄、熱影響區(qū)小、焊接變形小。

4.攪拌摩擦焊焊機(jī)

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱FSW）是英國(guó)焊接研究所（The Welding Institute）于1991年發(fā)明的專利焊接技術(shù)。目前我國(guó)航空制造領(lǐng)域已經(jīng)引入了攪拌摩擦焊焊接設(shè)備。

攪拌摩擦焊主要是用在熔化溫度較低的有色金屬，如Al、Cu等合金的連接中并已獲得成功的應(yīng)用。原則上，攪拌摩擦焊可進(jìn)行多種位置焊接；可完成多種形式的焊接接頭，甚至厚度變化的結(jié)構(gòu)和多層材料的連接，也可進(jìn)行異種金屬材料之間的焊接。

另外，攪拌摩擦焊作為一種固相焊接方法，焊接后可以在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金屬基復(fù)合材料、快速凝固材料等采用熔焊會(huì)有不良反應(yīng)的材料。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

a.接頭熱影響區(qū)顯微組織變化小，殘余應(yīng)力較低，工件不易變形；

b.能一次完成較長(zhǎng)焊縫、大截面、不同位置的焊縫；

c.實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，能耗低，功效高，對(duì)作業(yè)環(huán)境要求低；

e.無(wú)需添加焊絲，不需要保護(hù)氣體，成本低；

f.適用于熱裂紋敏感的材料，適合異種材料焊接；

g.焊接過(guò)程安全、無(wú)污染、無(wú)煙塵、無(wú)輻射等。

5.冷金屬過(guò)渡焊接設(shè)備（CMT）

冷金屬過(guò)渡技術(shù)（Cold Metal Transfer，簡(jiǎn)稱CMT）是Fronius公司在MIG/MAG 焊基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種革新技術(shù)，第一次將送絲運(yùn)動(dòng)與熔滴過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化協(xié)調(diào)。CMT基本原理是：電弧燃燒過(guò)程中，焊絲向熔池送進(jìn)，當(dāng)焊絲與熔池接觸時(shí)，電弧熄滅，焊接電流減小，短路接觸時(shí)，焊絲回抽幫助熔滴脫落，保持很小的短路電流（熔滴過(guò)渡時(shí)電壓和電流幾乎為零）；此后，焊絲再次向熔池送進(jìn)，冷金屬過(guò)渡過(guò)程重復(fù)進(jìn)行。

CMT 冷金屬過(guò)渡焊接技術(shù)是一種無(wú)飛濺的新型焊接技術(shù)。所謂冷金屬過(guò)渡，是指數(shù)字控制方式下的短電弧和焊絲的換向送絲監(jiān)控。換向送絲系統(tǒng)由前、后兩套協(xié)同工作的焊絲輸送機(jī)構(gòu)組成，使焊絲的輸送過(guò)程為間斷送絲。后送絲機(jī)構(gòu)按照恒定的送絲速度向前送絲，前送絲機(jī)構(gòu)則按照控制系統(tǒng)的指令以70 Hz 的頻率控制著脈沖式的焊絲輸送。

在相同條件下，相比傳統(tǒng)MIG焊接方法，CMT焊接熱輸入量大幅降低，可實(shí)現(xiàn)鋼與鋁、銅與鋼等異種材料之間的焊接，同時(shí)可以滿足0.3 mm以上薄板的無(wú)飛濺、高質(zhì)量熔焊和釬焊。

結(jié)語(yǔ) ：

隨著航空領(lǐng)域?qū)︼w機(jī)制造減重和性能提出更高的要求，先進(jìn)的焊接設(shè)備和工藝起到至關(guān)重要的作用。我國(guó)先進(jìn)焊接技術(shù)與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距，有很多技術(shù)難題需要攻克。未來(lái)我國(guó)航空航天焊接應(yīng)加速新材料以及先進(jìn)焊接技術(shù)的應(yīng)用研究。可以肯定，我國(guó)的先進(jìn)制造技術(shù)會(huì)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。

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