現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展趨勢是:大力發(fā)展高比強、高比模、抗腐蝕、耐高、低溫的多功能結(jié)構(gòu)材料,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重;提高材料與結(jié)構(gòu)制備技術(shù),降低制造成本和維護成本。現(xiàn)代機體材料仍以鋁合金為主,鋼用量趨于減少,鈦合金用量顯著增加。航空發(fā)動機主要材料有鋁合金、鈦合金、高溫合金以及各類高溫復合材料等。鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個領(lǐng)域。
鋁鋰合金簡介
工業(yè)生產(chǎn)鋁鋰合金指含Li量1%~3%,以Li作為主要強化元素的鋁合金。合金中加入Li的目的是增加合金的彈性模量,降低合金的密度(密度比一般鋁合金低5%~12%,彈性模量高5%~8%)。鋁鋰合金具有低密度、高比強度、高比剛度、優(yōu)良的低溫性能、良好的耐腐蝕性能和卓越的超塑成型性能;其強度、斷裂韌性、屈服強度、疲勞性能都是隨著溫度的降低而提高;它有良好的超塑性,可以制成形狀復雜、難以成形的零件,減少勞動強度和減輕結(jié)構(gòu)的重量。用其取代常規(guī)的鋁合金可使構(gòu)件質(zhì)量減輕15%,剛度提高15%~20%,被認為是航空航天工業(yè)中的理想結(jié)構(gòu)材料。在該領(lǐng)域,鋁鋰合金己在許多構(gòu)件上取代了常規(guī)高強鋁合金。
圖 1 空客A380結(jié)構(gòu)件的材料分配
從空客A380選材的分布來看(圖1),鋁合金占的比重最大,達機體結(jié)構(gòu)重量的61%,因此要實現(xiàn)性能改進,必須開發(fā)創(chuàng)新的鋁合金材料和工藝技術(shù),具體是提高強度和損傷容限,加強穩(wěn)定性并提高抗腐蝕能力??湛虯380使用了2099、2199、2196等鋁鋰合金。用于A380的地板梁,如橫梁、座椅滑軌、座艙以及應急艙地板結(jié)構(gòu)、電子設(shè)備安裝架及角形物,可減重幾百公斤。俄羅斯下一代窄體客機MS-21將采用復合材料機翼和尾翼,而機身將由先進合金如鋁鋰合金制成。
激光復合焊技術(shù)
隨著激光焊接技術(shù)在工業(yè)中的成熟應用,激光焊接技術(shù)的不足之處也日漸顯露。首先,激光焊接設(shè)備投資大,電效率低(一般低于10%,當前光纖激光器的出現(xiàn)激光的電效率才提高到30%左右);其次是對工件的焊接裝配精度要求高,如對接間隙、錯邊量要求小于0.1mm或板厚的10%,這不僅需要專門的夾具和加工,也給實際應用帶來很大的困難;再者大功率激光焊接過程的等離子體對激光的吸收、反射作用,降低焊接穩(wěn)定性和激光能量的利用率,且高焊接速度導致焊接接頭快速凝固,易引起氣孔、咬邊缺陷,焊縫組織脆性,甚至出現(xiàn)焊接裂紋;此外對于高反射率材料(鋁合金、銅合金)難以實現(xiàn)激光焊接。針對這些問題,國內(nèi)外學者一直在致力于提高激光焊接適應性的研究,目前最主要的途徑是采用激光-電弧復合焊接的方法。
激光焊與另一種焊接方法相結(jié)合的焊接技術(shù)稱為“激光復合焊接(LASER Hybrid Welding)”,其中,激光束和電弧同
時作用于焊接區(qū),互相影響和作用稱為“激光-電弧復合焊接”。激光焊接與電弧焊接是兩種不同的焊接工藝,通過激光與電弧的相互影響,可克服每一種方法自身的不足,進而產(chǎn)生良好的復合效應,從而獲得優(yōu)良的綜合性能,在改善焊接質(zhì)量和生產(chǎn)工藝性的同時,提高效率/成本比。另外激光復合焊接工藝還具有更好的間隙容忍性、高的焊接速度以及優(yōu)秀的機械性能,因而對航空制造業(yè)來說具有極大的吸引力和經(jīng)濟效益。
在德國、日本等發(fā)達國家,激光-電弧復合焊接技術(shù)廣泛適用于從薄板小變形到厚板的高速焊接、適用于鋁合金及異種材料的焊接。激光-電弧復合焊接充分發(fā)揮了激光和電弧焊接的優(yōu)勢,有效地提高了焊接效率,縮短了焊接工序周期;特別在鋁合金等難焊接金屬中,能在不同程度、不同方面減少或消除焊接缺陷。由于經(jīng)濟性和技術(shù)實用性的突出優(yōu)勢,將在航空航天制造業(yè)中廣泛應用。
鋁鋰合金的激光復合焊接
圖2是激光-等離子復合焊接5A90鋁鋰合金的現(xiàn)場照片,圖3則是激光-MIG復合焊接5A90鋁鋰合金。
圖2 激光-等離子復合焊接5A90鋁鋰合金
圖3 激光-MIG復合焊接5A90鋁鋰合金
采用激光-電弧復合焊焊接鋁鋰合金,能夠提高熔深和焊接速度,放寬對接焊縫的間隙限制,增加實際焊接中工件的裝配裕度。由于電弧對激光的輔助作用,還可以增強對鋁這樣的反光率高的金屬的焊接能力,提高可焊性及焊接穩(wěn)定性。圖4 是5A90鋁鋰合金激光-MIG電弧復合焊接焊縫形貌。
圖4 5A90鋁鋰合金激光-MIG電弧復合焊接焊縫形貌
采用YAG激光-等離子電弧復合焊焊接鋁鋰合金可使焊接速度提高,焊接過程穩(wěn)定,焊接質(zhì)量提升,更進一步講,復合導致了效率增加以及焊接適應性的增強。
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