航空制造业中的焊接奇兵--钎焊

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航空制造业中的焊接奇兵--钎焊

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作者：北京工业大学    来源：MM现代制造



, P* y( Q# v! l* O3 m+ H 在航空领域，新材料的连接及精细结构的制造，推动了钎焊技术的快速发展，其在航空制造业中的应用也越来越广泛。
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2 J, M5 z- B8 K! i9 d新材料、新技术的发展为航空技术提供了较大的发展空间，新材料与新技术在航空制造业中也得到广泛的应用。钎焊技术可以很好地完成某些新材料的连接与精细结构的制造。各种新型钎焊材料以及与之配套的钎焊技术都得到了深入的研究。因此钎焊技术在航空制造业中的应用越来越多，并可应用在重要部件的连接上。

新型航空材料的钎焊技术
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. S* o5 t3 h# i4 x4 s" a9 L1. 钛合金的钎焊技术

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0 T5 K9 s1 `; [7 X- W图1 美F-22型隐身战斗机

钛合金是航空领域的关键性技术，美F-22隐身战机采用了多达45%的钛金属。图1为美F-22型隐身战斗机。在航空制造业中，例如飞机构件和航空发动机，有许多需要钎焊的钛合金构件。早期航空工业中多采用银基钎料与铝基钎料的钎焊。钛因其强度、轻度和抗腐蚀性能得到人们重视，从20世纪70年代开始，钛合金钎焊技术得到了较大的发展，并开始应用于航空工业中。图2、3分别为应用钛合金制造的军用发动机外罩和飞机钛合金接头。

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图2 超高强钛合金军用发动机的外罩

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图3 飞机钛合金接头

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Ti3Al基钛合金钎焊的研究试验表明，Ti-Cu-Ni系钎焊接头室温拉伸强度与母材接近，但在649℃和760℃时仅为母材的70%～80%。近年来国内外对Ti3Al基钛合金钎焊工艺进行了深入的研究，制得的钎焊接头的强度接近母材。使用Ti-15Cu-15Ni钎料钎焊TiAl基合金获得了较好的试验结果，例如采用1100～1200℃/30～60s红外感应加热的工艺，所得试样的剪切强度可达到319～322MPa。

2. 复合材料的钎焊技术
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/ s6 V! ?# [3 f(1)颗粒增强铝基复合材料的钎焊
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; L5 h. [. m9 @/ ]9 N$ \+ e在铝基合金中添加石墨、SiC、Al2O3颗粒，可以有效地提高基体的弹性模量、高低温强度、疲劳性能和耐磨性。因此这类复合材料的钎焊在航空制造业及其他领域具有广阔的应用前景。
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0 A6 p1 L" `6 O$ w7 |- e9 p钎焊工艺简单可行，是最适用Al基合金的焊接方法。软钎焊通常在低于450℃环境下采用Cd-Ag或Zn-Al钎料钎焊B/Al。美国制造的钎焊B/Al管OVI卫星发射架，其接头剪切强度可达到80MPa。

. h! @. x: V% f8 A, r值得注意的是，焊接过程的温度对接头界面强度有一定的影响，并会降低复合材料本身的性能。因此寻求具有较低钎焊温度的钎料是金属基复合材料真空钎焊研究的目标。国外通常采用的真空钎焊钎料有Cu-50Ni、Ti-Zr-Cu-Ni，焊接方式有层压板或非晶态箔。采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶态箔钎焊接头的拉伸强度可与基板相当。
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% ]3 r' e8 y  \* [9 T- Z* |(2)电子封装用复合钎料的钎焊

通常电子封装设计用复合钎料不会影响其本省合金系统的润湿性等工艺性能参数，所以从试验到应用所经历的周期较短，把它们直接应用到生产中会变得简单方便，切实可用。电子封装、微电子机械系统、汽车、航空航天、国防等领域将成为此技术的首要受益领域。
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在航空航天和国防领域中，由于这些服役环境经常含有热量的波动，钎焊接头具有优良的热力疲劳性能，对于应用钎焊接头至关重要。为了模拟钎焊接头在航空航天以及国防领域的服役环境，热力疲劳试验的温度极限将确定为-40～125℃。图4为模拟热疲劳试验的曲线以及钎焊接头结构。


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图4 模拟热疲劳试验温度曲线

, \# F$ n: v# [# {(3)陶瓷及陶瓷基复合材料的钎焊

  j; |0 w  X, Q5 N( Z. F. a陶瓷及陶瓷基复合材料是高性能涡轮发动机高温区极好的结构材料，可用于火焰稳定器及涡轮叶片等，是未来先进航空发动机的重要材料。

( D$ L7 G( z4 {2 o% Q* i  R' ]钎焊可以有效地完成陶瓷与金属的连接。但陶瓷连接接头的强度和耐热温度与实际应用的要求相比仍有较大的距离。因此高温钎料的开发一直是一个研究热点。

国外研究机构尝试采用含有贵重金属或以含有贵重金属Au、Pd、Pt或Ag-Pd为基的新型高温钎料完成Si3N4陶瓷与金属的连接，但其耐热温度也一般不会超过700℃。此外，采用Ni-50Ti钎料完成SiC陶瓷与金属的钎焊，其接头在700℃时的剪切强度可达到260MPa，但其耐热温度仍不够高，并且对应的钎焊温度高达1550℃，显然不适用于陶瓷与普通高温合金的连接。
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" K  P8 h; Y+ f9 }5 i目前，北京航空材料研究院设计了用于SiC陶瓷钎焊的Co-Ni-Fe-Cr-Ti系高温合金钎料，使用急冷非晶钎料薄带，获得的SiC/SiC钎焊接头在室温到800℃温度范围内的三点弯曲强度值可稳定在160～184MPa之间。但该钎料钎焊接头的力学性能仍有待进一步改进。
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航空新结构的钎焊技术

* D+ Z4 {" N) o3 ^4 j' ]1. 复合层板气冷结构的钎焊
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多孔复合层板气冷结构是大推重比高性能发动机采用的先进冷却结构，多用于燃烧室和涡轮叶片。通常是将带有复杂冷却回路的多孔层板用钎焊技术复合成气孔结构，并采用冲击冷却、内部强制冷却和气膜冷却的综合冷却方式，以达到最佳的冷却效果。
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2. 复杂精细铝合金结构部件的真空钎焊
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  h# U+ n& {2 B1 e# k( C/ g) O现代航空制造业中的结构部件越来越复杂和精细，例如，新一代相控阵天线常常采用铝合金钎焊结构的阵列单元和安装座。国外制造平板缝阵天线时，先用精密数控或电火花加工出天线元件，再采用盐浴钎焊或真空钎焊的方法焊接成一体。而盐浴钎焊具有污染环境、残留溶盐难于清洗、不适用于封闭结构等缺点，因此逐渐被真空钎焊所代替。
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& ?0 m2 d4 C; Y近几年来，北京航空材料研究院与相关单位合作对有关天线的真空钎焊进行了研究，采用真空钎焊对完成了多层结构平板缝阵天线的钎焊，所钎焊天线焊着率基本达到100%，整体平面度小于0.1mm，钎缝成形美观。
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% G& |& c$ a) b铝合金真空钎焊工艺中有待进一步研究的问题就是需要研制具有低熔点的钎料、研究适用于可热处理强化铝合金的较低温度的真空钎焊技术。北京航空材料研究院研制的Al-Si-Cu-Ni-RE钎料，熔化温度范围为508～524℃，对多种铝合金均具有良好的润湿性，可加工成非晶态箔材使用。

3. 航空导管的感应钎焊

飞机上的液压和气压导管焊接，大量采用感应钎焊。导管的感应钎焊分为固定式钎焊和安装钎焊。感应钎焊装置的设计原则是重量轻、便于钎焊操作、感应圈的形状应使工件加热温度均匀，同时能使导管定位。
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- h/ \0 o5 V* {5 x钎焊技术在航空发动机部件修复中的应用

, I& |: Y, x, G9 S& c5 c1 o在航空发动机高压涡轮叶片和热端部件的生产中，由于这些部件结构复杂，并且多为精铸件，通常合格率很低，往往因为部件出现沙眼、气孔、裂纹以及夹渣等小缺陷而报废；而合格的部件在工作一段时间后，总会有一定数量的部件由于出现缺陷（如裂纹、磨损、烧蚀等）而失效，如果能将生产和使用过程中产生的缺陷修复，使部件可以重新投入使用，其效益将非常可观。
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钎焊及以钎焊为基础的一些新的修复技术，是航空发动机部件修复技术中的重要组成部分。

加拿大Liburdi公司采用粉末钎焊技术修复的航空发动机叶片以达到与新叶片同等的寿命，并可在现役发动机上服役。北京航空材料研究院采用大间隙钎焊技术成功地修复了某发动机高压涡轮二级导向叶片的铸造裂纹，补焊的叶片已通过了地面试车和空中飞行试验，效果良好。北京航空制造工程研究所采用真空电弧钎焊工艺钎焊的K417合金接头在900～950℃高温下具有优异的力学性能，也可用于修复涡轮叶片。

2 n' [4 f& a5 L2 J% v% }/ v钎焊接头的无损检测技术

由于钎焊新结构在未来飞机和发动机中将得到广泛的应用，因此检测这类结构钎焊接头质量的无损检测的技术也需要进一步研究。对于焊缝一面为平面或近似平面的结构，可采用超声C扫描检测焊缝中的未焊合、气孔等缺陷。涡流检测技术已用于检测钎焊蜂窝的焊料分布情况，渗透检测技术则被用于焊缝外缘焊合情况的检测。国内近年来也在钎焊接头的无损检测方面进行了研究，如采用超声C扫描检测钎焊蜂窝封严环和钎焊雷达缝阵天线、多孔层板的表层焊缝等，达到了良好的检测效果，但对于多层结构的内部焊缝尚未找到合适的检测方法。

5 m. M8 d- k0 f( U新型材料的发展与高性能航空新结构的设计需求为钎焊技术提供了广阔的应用空间，同时提出了极大的挑战。事实上，许多新材料如高温结构材料、航空用复合钎料等的连接基本上还处于空白，许多技术难题还有待于进一步研究解决。(end)