我國現代運載工具制造工程中的特種焊接技術北京航空制造工程研究所 關 橋焊接/連接技術在20世紀的后半葉，已發展成為金屬材料加工制造業中的一個重要專業學科。鋼鐵材料在大型工程結構中應用面的擴大和新產品日新月異的發展對焊接/連接科學與技術提出許多難題；40年前,中國焊接學會的成立,為引導學科發展,繁榮焊接科技,促進國民經濟發展,作出了積極的貢獻.。然而，新世紀伊始，面對新材料、新結構突飛猛進的發展勢頭，焊接/連接科技又面臨新的挑戰；甚至，在一定程度上制約著高新科技產業的發展。如果說，在過去的50年間，機械制造業中鋼結構量大、面廣的生產是對高效、低成本焊接技術（焊接材料、方法及設備）的主要牽引力的話；在今后的50年間，以高新科技產品和現代運載工具為代表的前沿工程科技,正在呼喚特種焊接/連接科技的新突破。1 現代運載工具結構和材料的發展對焊接/連接技術的牽引圖1給出了從水下到太空范圍人類用以克服距離、探索自然的運載工具。圖1 從水下到太空的現代運載工具這些運載工具發展的共同技術特點是更快、更輕、更強（在特定的環境條件下滿足更高、更遠、更深的技術要求）。任何一個運載工具都由兩個主體組成：其一是運載器主體結構，其二是動力裝置。為了實現主體結構更強和速度更快的技術目標，在承載結構減輕自重的設計選材時，除金屬結構材料中鋼、鋁合金、鈦合金外，正在方興未艾發展的復合材料和非金屬材料也都在優選之列。為了滿足運載工具的高性能動力裝置的技術要求，如核動力裝置或噴氣發動機動力裝置的超常規參數運行指標，又必須采用耐高溫超級合金材料、陶瓷材料或性能優異的復合材料（金屬基或陶瓷基）等?？梢?，無論是深潛器、飛機還是運載火箭、空間站，新結構和新材料的采用都對焊接/連接技術與科學的發展提出了嚴峻的挑戰。以電子束焊接技術的發展為例，50年前，為了發展核動力裝置，最先把高能量密度的電子束焊接方法應用于薄壁核燃料棒的封接制造；當今，正在把電子束焊接技術（或攪拌摩擦焊技術）應用于防止核廢料污染的厚壁銅容器的封接;在技術要求上同樣都是高可靠性的連接。電子束焊接在實現深潛器厚壁鈦合金球形容器的焊接方面，仍具有無可替代的優勢。在用于太空探索空間站建造與維修方面,電子束焊接與釬焊也已有獨到的成功應用。在飛行器的結構設計與制造工程中，焊接/連接技術的發展是與飛行器及其動力裝置高性能技術指標所決定的選材直接相關。圖2所示為殲擊機結構材料變化的對比1-5；與SU-27和F-15相比，復合材料（樹脂基纖維增強）和鈦合金的應用比例在F-22上擴大了許多；由此，對焊接/連接技術的牽引有了新的方向。飛機鈦合金重要承力構件的電子束焊接和特種氬弧焊技術（穿透焊、潛弧焊等）對于飛行器新型結構的設計作出了貢獻3,5；高強鋁合金在飛機結構上的擴大采用還有待攪拌摩擦焊所具有的技術潛力的發揮。作為高性能動力裝置的噴氣發動機，高溫部件的焊接/連接往往決定著結構的可靠性與壽命；超常規高參數的運行需要用新的技術和特種方法來實現諸如單晶葉片、金屬間化合物、金屬基復合材料、陶瓷復合材料、層板氣膜冷卻結構和異種材料的焊接/連接1,4。 圖2 SU-27，F-15與F-22飛機結構材料的變化特種焊接技術作為實現運載工具的新結構設計構思和新材料選用不可或缺的技術保障，可明顯地減輕結構重量，降低成本，提高性能，延長壽命，和賦予運載工具以高可靠性和全壽命周期的可維修性；同時，在提高貴重材料的有效利用率方面（從2-3%到70-80%）具有獨特的優勢1。當前，焊接/連接技術對結構造成的不完整性損傷，正在制約著高新技術的發展；強勁的需求牽引要求焊接/連接技術有新的突破與創新。2 特種焊接技術的進展2.1 焊接/連接技術在制造業中的地位自從火焰和電弧發展成為連接金屬材料的焊接熱源后，經歷了百年的發展與進步，尤其在二次世界大戰后的50多年間，有了長足進步；焊接/連接技術已成為制造業中的關鍵專業學科,形成了行業體系。例如,在飛行器制造工程中，50年前，機械連接（螺栓、鉚接）占有主導地位；在技術進步過程中，焊接技術的比例逐漸擴大(見圖3);在噴氣發動機結構連接技術中，焊接占有了主導地位；而在飛機結構的連接中，目前，焊接還不占優勢；但其發展趨勢是明顯的,焊接的應用范圍在不斷地擴大1。圖3 在飛行器制造工程中焊接、機械連接與膠接的歷史變遷示意1在過去的50年間，特種焊接技術與我國飛行器制造技術同步發展;在各種常用焊接方法中,特種焊接技術(高能束焊、固態焊、釬焊等)所占的比例也在發生著變化，其應用面正在擴大,見圖4。從圖4的變遷示意中還可以看出,在熔焊方法中，氣焊的比例減小明顯，弧焊仍然是主角，而高能束流焊接技術（電子束、激光束、等離子體）的比重在不斷增大。電阻焊技術，由于多以搭接的接頭形式應用于結構，不利于減輕結構自重，在承力部位的應力集中又影響其抗疲勞性能；因此，在飛行器的結構設計中逐步縮小了其應用范圍。固態焊（擴散焊、超塑成形/擴散連接、摩擦焊）則以其獨具的優勢，在高科技產品迅猛發展的年代，顯現出蓬勃生機；同樣，釬焊（含擴散釬焊）技術，由于對基體材料不會造成像熔焊所帶來的損傷，在一些新型材料、非金屬材料接頭的連接中，另辟蹊徑。圖4 50年間在飛行器制造工程中各類焊接方法所占比例的變遷示意12.2 高能束流焊接與材料加工激光束、電子束所具有的微焦點與散焦加熱、高能量密度、高速加熱、深穿透、高速冷卻、可精密控制、高速掃描、全方位加工等技術特點，正在材料加工領域中得以充分發揮和開發利用。除已應用于焊接、打孔、切割、表面改性、涂覆和精細加工外，在新材料的制備（如功能材料、納米材料、非晶材料）與快速成形和超精細加工技術中的應用，還大有可為；尤其當大功率的YAG激光與二極管激光和準分子激光工程化應用后，對材料與束流交互作用機理的深入科學研究，將會引導學科發展、創新6。在厚板結構的焊接中，電子束與激光束相比，電子束在深穿透的能力方面，仍占優勢。在太空條件下的電子束焊接技術，可望在不久的將來成為我國載人航天建造空間站的首選。大功率CO2激光深穿透焊接受到諸多因素的影響，其中光致等離子體的屏蔽效應隨著焊接線能量的增大而更加顯著。圖5所示為在不銹鋼板上，用CO2激光束施焊時，能量傳輸效率(激光器輸出能量與形成焊縫的能量之比)與焊接線能量的關系的實驗測定結果7。當線能量大于4.5kJ/cm后，能量傳輸效率穩定在60%；光致等離子體的屏蔽作用阻礙著能量傳輸效率的提高。圖5 大功率CO2激光焊接能量傳輸效率與焊接線能量的關系7高能束流聚焦后可獲得深寬比大的焊縫，這雖是優點，但在眾多實際工程應用中，又有局限性,如對壁板結構的對接焊縫裝配精度要求較高，制約其應用面的擴大。近年來，研究并開發的激光束與MIG焊相結合的復合熱源焊接法，不失為一種對板件對接裝配間隙容限放寬的合理解決方案；因此，在艦船、汽車制造業中很快找到了工程應用技術市場。值得關注的是激光束在其它材料加工領域的發展，如把快速原形制造技術擴展為飛行器鈦合金帶筋壁板近凈毛坯的成形方法（在預彎曲成形的厚板上用RPM方法添加金屬粉末堆焊起筋條再精加工）,是一項技術上的創新8。在技術科學領域中的創新，源于對求解難題物理現象本質的充分認知，捕捉并駕馭矛盾的主要方面，再應用于工程實踐。在高能束流焊接與加工領域中，對熱源與材料的交互作用機理的探索就孕育著諸多的創新和對前人未能解決難題的突破。例如，等離子弧焊接在40年的發展中，由于“小孔行為”的不穩定性，制約了它在工程結構制造中的擴大應用；雖然有過諸多傳感與控制技術的研究開發，終未能如愿以償。近期，在對“小孔行為”物理本質的深入觀察與光譜信息檢測基礎上，捕捉了等離子弧光特征譜線強度和弧尾翼翹擺與小孔行為的定量關系，見圖6; 發明了正面弧光傳感器技術，用于等離子弧焊縫成形的閉環控制9，可望對等離子弧焊技術穩定、可靠的工程應用能有所突破。圖6 等離子弧光傳感器輸出信號UL、尾焰電壓UE與電弧形態小孔形成(a)和小孔閉合(b)的對應關系92.3 固態焊接在眾多固態焊接方法中，當代高新技術和現代運載工具的發展促成擴散焊、摩擦焊技術有所創新；其根本性的優點在于焊接/連接接頭區排除了熔焊的枝狀鑄造組織、缺陷，從而使接頭區的力學性能可接近于母材。熔焊對材料的損傷，顯然有悖于新型材料朝著超純、超細、超精的方向發展; 然而，固態焊接技術的創新，將會有助于新型材料的功能在工程結構上的發揮。超塑成形/擴散連接（SPF/DB）技術在航空、航天結構上的日益擴大應用,正是適應了鈦合金薄壁整體結構設計的新構思,使成形與連接一體化。擴散焊（含擴散釬焊或稱TLP連接）為非金屬、陶瓷、單晶金屬材料、金屬間化合物和金屬基復合材料的連接（自擴散或加中間過渡層、梯度材料形成接頭）提供了必要條件；但對界面反應、界面擴散接合的機制研究乃是保障界面高質量結合的前提。復合材料增強體和基體之間、以及復合材料與金屬之間的力學特性和物理化學特性的差異，是這些新型材料難以可靠地連接并制約其工程實用的關鍵。研究人員正在努力開發新的TLP方法,例如，采用銅為中間過渡層，可實現SiC顆粒增強鋁基復合材料與LF12和LF6鋁合金的TLP擴散連接10。對于金屬間化合物高溫結構材料Ni3Al用于定向凝固的噴氣發動機渦輪導向葉片，采用TLP連接技術，關鍵在于中間層合金的優選：以母材成分（Ni-Al-Mo）為基礎，加入抗氧化元素Cr、降熔元素B和提高穩定性元素Co是解決方案之一11。攪拌摩擦焊（FSW）從發明到大面積地在鋁合金結構上的工程應用，僅有十年時間，這在焊接技術發展史上是空前的；充分展示了新技術的生命力在于其創新性與工程實踐中的難題求解所形成的合力。在工程科技領域中的創新源于實踐，FSW就是一個例證。英國焊接研究所的科研人員，幾十年堅持不懈，在摩擦焊領域得心應手地開發了線性摩擦焊（用于航空噴氣發動機葉盤的焊接）、軌道摩擦焊、摩擦堆焊等項新技術，均得到了工程應用。而攪拌摩擦焊作為一項發明專利，在焊接科技發展史上具有里程碑意義, 其技術經濟價值首先體現在工程結構上的應用。鋁合金結構的氬弧焊已有半個多世紀的發展，但焊縫中的氣孔、裂紋等缺陷、熔焊的鑄造組織以及熱影響區的失強等一直是困擾科技界的難題，始終未能徹底解決。而FSW在技術上的突破，是把這種固態焊接方法巧妙而簡單地應用于板件的對接連接，見圖7，根除了熔焊的缺點。FSW的技術經濟優勢已展示在鋁合金快艇結構和運載火箭鋁合金燃料貯箱、高速列車鋁合金車廂等現代運載工具主體結構的制造上12。在成功的工程應用的基礎上，FSW的技術基礎研究工作正方興未艾地興起。圖7 用攪拌摩擦焊實現板件對接接頭的固態連接示意作為固態焊接的方法之一，電磁脈沖（MPW）焊接法近年來又有了較快的發展和應用，其連接機理介于爆炸焊和超聲焊接之間，利用大電流脈沖放電，在導電工件中感應渦流，產生瞬間強磁脈沖力，使工件產生高速塑性流變，實現連接。這種特種連接方法可望在管接頭與異種材料的連接中擴大應用。2.4 氣體保護焊 為了迎接新千年和新世紀的到來，在過去的十年間，國內外的焊接科技界對氣體保護焊技術的發展前景，已給出了眾多展望。作為一項常規焊接技術的創新發展，同樣在現代運載工具結構制造中會占有重要地位。氣體保護焊（鎢極和熔化極氣體保護焊）技術無論是在其工藝適應性方面還是其過程的自動化（計算機系統）控制方面均有了長足的進步，這在很大程度上應歸功于焊接電源的技術進步，逆變電源實現了對傳統焊接電源的跨躍式發展；在此基礎上正在推進的數碼焊接電源可望進一步對氣體保護焊的工藝性有所提高、改善。把常規的鎢極氬弧焊用于稍厚板件的對接,電弧的穿透能力顯弱，而采用活性劑的A-T1G焊接方法，可克服上述缺點，擴大應用范圍?？招年帢O真空電弧熱源是一種具有良好柔性的焊接和釬焊熱源，大電流時電弧收縮可用于焊接，小電流時電弧發散，可用于真空條件下的局部加熱釬焊；適用于渦輪葉片的修復釬焊或鈦合金壓力容器的焊接。在前蘇聯,這種方法曾作為太空焊接候選方案之一。熔化極氣體保護焊（采用實心或藥芯焊絲）仍然是機械制造行業和大型工程結構制造中的主導焊接方法。在過去50年間這項技術為我國焊接科技事業發展作出了貢獻, 如在作為現代運載工具之一的船舶制造行業中，采用CO2氣體保護焊，在過去的20年間，實現了造船行業制造技術的高效、低成本跨躍式技術改造，焊接自動化程度大幅提高，造船產量亦躍居世界前列。2.5 計算機技術與自動化用IT帶動傳統制造業的改造與提升，已成共識。在特種焊接技術與科學的發展中，計算機技術的應用業已展現了巨大的技術經濟效益與良好前景;在今后的技術創新與開發中,仍需把握三個主要方面的問題是：a) 在制造過程控制與自動化中，以研制工程適用的傳感器為基礎,研究開發智能化的新技術與裝備；b) 在焊接過程分析、計算中，正確的物理數學模型的建立與驗證，物理模擬與數值模擬并舉；c) 焊接數據庫和工程管理軟件的開發應借鑒國外，更要符合國情。在實施焊接機械化與自動化時，“先進”并非都適用；注重與機器人工作站和自動化系統相配套的工藝裝備、夾具和生產線整體的技術改造（如部件裝配精度的提高，要求鈑金下料裝備同時配套改造等）。2.6 焊接結構的完整性用新材料制成焊接結構，焊接熱效應會引發結構不完整性,即使采用特種焊接技術,仍然還會有三個方面的問題:a)冶金不均勻性（母材、HAZ、焊縫）b)幾何不完善性（變形、偏離設計容限）c)力學不連續性（應力集中、缺陷、損傷）焊接科技發展的歷程就是不斷解決這些難題,尋求最佳方案的歷史。為滿足現代運載工具更快、更輕、更強（更高、更遠、更深）的技術目標，對焊接結構完整性研究和技術開發越來越顯得重要。從產品結構服役全壽命周期的安全、可靠出發，從最終用戶提出的技術要求，設計師們的構思與選材開始，制造工程中的方法與技術的優化和使用過程中的維修與監測，均應科學地引入斷裂力學判據、損傷容限準則，加強焊接力學（裂紋力學、應力變形控制）研究。3 焊接/連接技術與科學面臨的挑戰回眸焊接科學與技術的發展歷史，可以清楚地看到,尋求解決焊接/連接科學制約新材料、新結構應用的途徑4，應從材料研制與焊接科技兩個方面著手。例如：飛行器上全焊結構的采用已日趨明顯5，要迎接挑戰，必須將材料和焊接科學與技術在發展中形成合力。3.1 新材料焊接性定義的演變l 以熔焊技術為基礎對材料焊接性的定義有局限性；l 用熔焊方法，焊接性差的材料，改用固態焊接方法，焊接性得以改善。3.2 先進材料性能的改善提高與優化l 先進的材料并不意味著具有良好的加工性，高性能與良好加工性往往是一對難以協調的矛盾；而矛盾的主要方面則是材料的研制；在研制高性能材料時，其加工性也應納入高性能的技術指標；l 焊接性差的材料，經過改善與提高，性能得以優化，又會賦予它以新的良好加工性和焊接性；l 加工性（焊接性）作為新材料研制與開發的技術指標，必不可少，在材料研制中就應提供系統的可加工性數據。3.3 新型結構的選材l 目標：新型結構在全壽命周期的安全性與可靠性，及其可加工性；l 老材料新用場，在新結構中傳統材料又可發揮潛在的功能；l 正確選材的基礎四位一體的組合體制（結構設計、材料選擇、產品制造、最終用戶）。參考文獻1、關 橋, 航空特種焊接技術的發展，北京航空工藝研究所40周年論文集，19972、Bob Irving, Why arent airplanes welded? Welding Journal, 1997 No13、A.勃拉圖辛等，飛