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【高频焊机】焊接技术在飞机修理中的应用

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【高频焊机】焊接技术在飞机修理中的应用

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是英国焊接研究所(The Welding Institute,TWI)于1991年发明并获世界范围内专利保护的新型固相焊接技术,也是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短且发展最快的一项神奇的连接技术,被誉为“世界焊接史上的第二次革命”。FSW通过高速旋转的搅拌头与被焊接材料表面间生成的摩擦热使搅拌头邻近区域的材料受热达到热塑性状态(见图1),在搅拌头轴肩的锻造作用下,实现工件之间的连接。搅拌摩擦焊接过程中没有金属熔化属于固相连接,在搅拌头旋转、挤压和粉碎等机械力的作用下,形成致密的组织结构,接头质量高、缺陷少、焊后变形小、具有优异的机械性能。

与传统熔焊工艺相比,搅拌摩擦焊具有无烟尘、无气泡、无飞溅、无需添加焊丝,焊接时不需要使用保护气体、焊后焊缝晶粒细小、残余应力小和变形小等优点,并且可焊接如高强铝合金、镁合金等熔化焊接性差的有色金属,非常适合航空用高强度铝合金和铝锂合金材料的焊接修理。

现代战机上的机身隔框等承力构件多采用高强度铝合金(如В95、7050、7075)加工而成,且隔框腹板大多为网格状的筋条结构,一旦腹板上产生裂纹,传统的铆接补强难以满足等强度修理的需要,常规焊接技术又由于受到结构形状、材料的可焊性和安全性的影响难以实施。为此,国外很多公司已将FSW 技术引入到飞机维修中,据国外的一项研究比较发现,FSW技术对机翼裂纹的修理会消除高应力集中,其蒙皮表面需要的首次安全检验时间推迟了3.5倍,同时也减少了随后的检验次数。在对隔框腹板裂纹FSW 修理时,通过优化焊接参数,搅拌头沿裂纹方向进行焊接,即可消除裂纹,而且焊缝力学性能优良,基本达到等强度修理的性能指标。

目前,国内已成功地将FSW应用于飞机制造,完成搅拌摩擦焊研究的铝合金包括:2000 系列(Al-Cu)、5000 系列(Al-Mg)、6000 系列(Al-Mg -Si)、7000 系列(Al-Zn)、8000 系列(Al-Li)。王廷等应用搅拌摩擦焊方法对7050铝合金进行了焊接试验研究,发现在参数不当的情况下出现飞边、孔洞、沟槽以及未焊合等缺陷。针对搅拌焊在铝合金焊接方面存在的局限性,近年来有人提出了超声搅拌复合焊接技术,将超声振动的能量导入到焊缝深层,高频焊机能够降低焊接流变的抵抗力,减小残余应力,以达到改善焊缝组织,提高焊缝强度的目的。

(1)飞机损伤部位搅拌摩擦焊原位修理技术研究,以及焊接设备的小型化、智能化和机动性研究。

(2)飞机高强度铝合金结构件曲线焊缝的搅拌摩擦焊修理工艺参数优化研究,包括搅拌头旋转速度、焊接速度、轴肩直径、旋转探头外形轮廓和轴向压力等。

(3)对适用于飞机搅拌摩擦焊搅拌头的研究,并根据不同特种金属材料和飞机构件的焊接需要实现搅拌头型号的系列化。