給焊接技術“加碼”為航空航天裝備“減重”
—— 南昌航空大學陳玉華教授團隊創新成果紀實

◎ 文/李云山

提到焊接，許多人腦海中首先浮現的可能是一幅火花飛濺、煙霧嗆鼻，以及電弧旁焊接工人在高溫下揮汗如雨忙碌的畫面。

其實，時至今日焊接早已遠非這么簡單。被稱為“工業縫紉機”的焊接，簡單來說是將兩個零件連接成一個整體結構的制造技術。如今，小到制作一枚集成電路芯片、大到建造一艘航空母艦，都離不開焊接。

2006 年，博士畢業的陳玉華教授進入南昌航空大學焊接工程系執教。2007 年，在他晉升為焊接工程系副主任的同一年，他瞄準超薄結構在航空航天結構上的需求，啟動了“超薄金屬構件激光微焊接關鍵技術及應用”的科項目研究。項目從基礎研究到產業化推廣，前后歷時十年有余，先后發明了超薄壁構件焊接質量控制技術及裝備、高溫合金“活性劑-激光”微連接新技術和控制超薄記憶合金與鈦合金異種材料激光微焊接接頭裂紋等方法，取得了顯著的社會經濟效益。

“從應用角度來講，這項研究主要是幫航空航天裝備‘減重’，助力中國航空航天事業飛得更高、更遠。”陳玉華說。

助力結構減重

高端裝備制造是我國七大戰略性新興產業之一，而在高端裝備制造的細分領域中，航空航天裝備被列在了首位。

如今，綠色輕量化正成為航空航天裝備發展的重要方向。以飛行器為例，它的“減重”，不僅能提升自身“升限”（爬高能力上限），還可顯著降低成本，“事實上，減重在航空航天領域占據著舉足輕重的地位。” 陳玉華說。而要實現飛行器的減重，除了采用新型材料及改型材料外，另一個主要途徑就是優化結構設計，包括采用超薄金屬構件（厚度小于0.5mm）。

“隨著航空航天裝備對結構減重的需求越來越強烈，不少零部件的壁厚正變得越來越薄。又由于壁厚小于0.5mm 的結構對焊接技術的要求與常規厚度零件的要求有很大不同，焊接難度大、焊接質量難以保證，因此必須對焊接技術進行創新。” 陳玉華說。

南昌航空大學焊接專業有著悠久的歷史，其專業水平在國內同類院校中長期名列前茅，因而自覺承擔起了這一新形勢下的使命任務。

協同創新攻關

自2007 年開始，陳玉華與團隊緊緊圍繞產業發展的技術需求，從主動控制焊接質量的理念出發，借力與上海航天設備制造總廠有限公司、中國航發南方工業有限公司等企業間的產學研合作，在有關科研項目的支持下，開展了長期的焊接技術創新與產業化應用。

——發明超薄壁構件焊接質量控制技術及裝備。超薄壁金屬構件的焊接，極小的錯邊量就會極大的影響焊接質量，同時，壁厚薄易產生較大的焊接變形，且容易被燒穿，導致焊接質量難以控制。針對這些難題，陳玉華與團隊對焊接時產生錯邊、燒穿及變形的原因進行了深入研究，在此基礎上推出了相關的控制技術，發明了一種超薄壁筒形構件隨焊柔性焊接夾具裝置，進而很好地攻克了傳統焊接錯邊、燒穿、變形等難題，實現了厚度為0.2mm 的超薄構件的高質量焊接。

“這項技術目前已在航空發動機某環形零件的焊接制造中應用，不僅提高了產品合格率和焊接質量，降低了成本，還成功替代進口產品，突破了國外技術封鎖。” 陳玉華說。

——發明超薄形狀記憶合金與鈦合金異種材料激光微焊接裂紋控制技術。焊接裂紋是焊接件中最常見的一種嚴重缺陷。如今，形狀記憶合金與鈦合金的連接結構在航空航天等領域應用越來越廣泛。然而，傳統焊接技術在焊接這兩種金屬材料時，其焊接接頭常會產生大量的裂紋，嚴重影響結構質量。通過研究，陳玉華等人發現，采用熔化焊等傳統焊接方法，焊縫熔合線附近會產生大量的Ti2Ni 脆性金屬間化合物，這是導致裂紋產生的誘因。之后他們嘗試添加填充材料來抑制裂紋的形成，同時對焊接工藝進行優化，最終成功突破了裂紋控制技術難題，獲得了無缺陷的焊接接頭。

除此之外，他們還通過設計、制造專用整體保護裝置，加強了焊接過程中的氣體保護，提高了焊接質量；根據焊接接頭彎曲性能測試的需要，發明了超薄壁焊接接頭專用小半徑彎曲性能測試裝置；還基于相關理論研究結果，發明了一種超薄NiTiNb 寬滯形狀記憶合金與鈦合金異種金屬連接方法……目前該技術已在大型空間展開機構的研發上開展應用。

——成功研制高溫合金用激光焊活性劑，發明薄壁構件“活性劑-激光”微連接新技術。激光焊接技術具有可焊各種金屬材料、焊接速度快、焊縫深寬比大、焊接變形小、易于實現柔性自動化等特點，被認為是21 世紀最有發展潛力的高能束流焊機技術之一，廣泛應用于航空航天制造業。可是，采用大功率激光進行焊接時，由于熱輸入量大、易產生燒穿；采用低功率脈沖激光時，能量較高時熔池金屬汽化嚴重，會導致焊縫區材料厚度減薄，焊接接頭的抗拉強度和彎曲強度受到損害，而降低能量又會出現未焊透缺陷。

因此迫切需要開發新的焊接技術。

“激光焊接盡管比較優勢明顯，可大多數金屬材料對激光的反射率很高，如果不對其表面進行特殊處理，激光焊接將可能會失去優勢。” 陳玉華說，活性劑焊接技術適時進入了科學家們的視野。

在此背景下，陳玉華與團隊自主研制了一種可改善焊縫成形、增加焊接熔深用于高溫合金激光焊的活性劑，發明了高溫合金“活性劑-激光” 微連接新技術，最終實現了較低能量下的深熔焊接，避免了焊接能量過高時被焊材料的嚴重汽化和能量過低時產生未焊透缺陷對焊接接頭抗拉強度、彎曲強度和韌性的損害，獲得了優質焊接接頭，焊接接頭強度和母材等強。

該技術填補了高溫合金激光焊接活性劑領域的技術空白。

“超薄金屬構件激光微焊接關鍵技術及應用” 項目的開展，收獲了豐碩的成果。共獲得10 項發明專利、6項實用新型專利授權，出版學術專著1 部，發表學術論文68 篇。產業化應用穩步推進，核心技術與裝備先后在上海航天設備制造總廠有限公司等合作單位應用，并在北京寶航新材料有限公司、江西匯思成科技有限公司等單位推廣，技術成熟、重現性好，生產運行穩定。2018 年8 月3 日，由中國有色金屬工業協會組織的項目成果評價，其鑒定結果為：項目技術創新性強，整體技術達到國際先進水平。

逐夢焊接強國

1979 年出生的陳玉華今年步入了不惑之年。回首在南昌航空大學度過的這十幾年時光，他幾乎每天工作14個小時以上，經常忙到晚上十點才回家，并放棄了大部分的節假日和休息時間。2011 年1 月起擔任焊接工程系主任后，他更是將焊接專業發展與人才培養放在了首位。

“焊接是裝備制造業中應用最廣的共性關鍵技術，中國已是名副其實的世界最大焊接大國，但還不是焊接強國。我們的許多關鍵焊接材料、設備尚且依賴進口，總體研發、創新水平和速度也都不高。響應國家戰略需要，促進焊接專業發展，是每個昌航焊接人的責任！” 陳玉華說。

南昌航空大學焊接工程系在科研、教學以及師資等方面均有較好的基礎，教育質量保住全國前三的排名是他們長期努力的方向。作為2010年江西省高校骨干教師的陳玉華，一直致力于打造一支“焊接技術與工程專業教學團隊” 的“國家隊”。

做研究，他們堅持“頂天立地”。一方面積極致力于基礎研究，另一方面積極與產業界密切合作推動成果應用。在此過程中，他們創建了高效務實的“產學研” 合作新模式；提高了人才培養質量和科技創新能力；超薄金屬構件激光微焊接關鍵技術也已在航空航天發動機、空間展開機構的制造中應用，在醫療器械等其他領域同樣展現了廣闊的應用前景。