论文部分内容阅读
摘 要 随着航空制造业的快速发展，飞机先进材料和结构间的连接制造技术也正发生着日新月异的变化。文章简要介绍几种民机先进连接制造技术，并概述这些技术在波音、空客等国外先进飞机上的应用。
关键词 搅拌摩擦焊；激光焊；胶接；电磁铆接；自动钻铆
中图分类号：V26 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）02-0001-02
随着现代科学技术的发展，航空制造业也发生了巨大的变化。特别是近十几年来，随着新材料、新结构和新的设计理念的不断涌现，飞机先进的制造和设计技术在不断创新和发展，民用飞机向新型的高性能、高轻型、高可靠性、高舒适型及长寿命和低成本的方向发展和更新。为了满足现代飞机新型轻质合金、新型复合材料、夹芯材料及新型叠层板材料等结构材料的发展和广泛应用的需求，飞机材料或结构的先进连接技术也备受研究者的关注，并得到了广泛的研究和发展。飞机结构所承受的载荷主要通过连接部位进行传递，这样连接部位就容易发生应力集中。据统计飞机机体疲劳失效事故的70%起因于结构连接部位，其中80%的疲劳裂纹发生于连接孔处，因此，连接质量极大地影响着飞机的寿命。针对不用连接材料或结构特点，采用恰当的连接方式具有非常重要的意义。
目前，国际上采用了多种先进的连接制造技术，这些技术的应用，提高了连接质量，降低了制造成本，提高了工作效率，减轻了结构重量等，具有一系列优点。
1 搅拌摩擦焊接技术
搅拌摩擦焊是一种新的固相焊接方法。焊接过程中，搅拌头旋转下压走过工件结合处，由于搅拌头与被焊接工件强烈持续摩擦，产生极高的热量，使被焊接金属材料在搅拌头附近温度升高并热塑变形，随着搅拌头沿着焊接界面向前搅拌运动，热塑化金属杯搅拌头向后移动，同时施加动态压力，在热塑变形和压力共同作用下，将金属材料焊接在一起，形成致密的焊接接缝。
传统加工方法，飞机壁板和加强筋是铆接一起的，搅拌摩擦焊技术可以代替传统的铆接，这样，就避免了在壁板上钻孔，增强了壁板的抗疲劳能力。同时，由于省去了铆钉，既减轻了结构的重量又降低了材料成本。由于搅拌摩擦焊的诸多优点，国际上飞机制造公司如波音、空客、庞巴迪等已经成功将这种技术应用到飞机结构的连接和制造中，并继续在开发适合飞机结构和材料的新型搅拌摩擦焊工艺方法。
搅拌摩擦焊技术特别适合于机身上平直加筋壁板和小曲率壁板中蒙皮和蒙皮的对接以及蒙皮和加强筋的连接，在大型民用飞机的机身蒙皮结构连接制造中，已经开始用搅拌摩擦焊技术代替传统铆接工艺，该技术已在空客A350-800和A350-900飞机中得到了应用。随着飞机制造公司对该技术的掌握和进一步发展，搅拌摩擦焊技术可以应用到很多个飞机结构的连接制造中，如机身蒙皮的环向对接和框段之间的装配连接制造、飞机中空夹层结构（如尾翼方向舵、副翼及襟翼等）封闭式结构的搅拌摩擦焊整体制造、飞机开口部位（如舱门、窗口、检修和维护口盖等）的加强可以通过搅拌摩擦焊技术实现无铆接头制造、飞机机翼结构中边框和腹板的连接、飞机部分型材结构（如仪器舱地板及隔板、座舱背板、货仓地板及斜台地板等）的连接和制造。
2 激光焊接技术
激光焊接是将高强度的激光辐射到被焊接材料的连接处，激光照射到材料的表面施加能量，被焊接材料将吸收激光的能量转化为热能，使材料熔化交接在一起，然后冷却结晶形成焊接。
激光焊接与其他焊接方法相比具有很多优点，焊接接触面积小，焊接热影响区金相变化范围小，焊接的残余应力小，工件变形小，可以实现高精度焊接，可用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中；焊接不受距离限制，可以焊接难以接近的部位，实施非接触的远距离焊接，对于空间狭小不便操作的区域具有很高的灵活性，也可变换设备将激光束发送至多个工作站，进行自动化高速焊接；可以焊接难熔金属，热敏感性强的材料以及非金属材料，比如钛、石英、陶瓷及有机玻璃等。
在飞机制造中，激光焊接可用于蒙皮与长桁的连接，取代传统的铆接。焊接速度快于铆接，且易于自动化操作，可以提高生产效率。由于省去了铆钉、密封胶、垫板和止裂板，所以降低了制造成本，减轻了飞机结构重量。由于没有铆钉孔，没有应力集中，所以提高了蒙皮的抗疲劳性能和耐腐蚀性能。激光焊接还可用于大块蒙皮的对接，比如机身蒙皮的环向和纵向对接，焊接后的对接质量优良，没有铆钉头和蒙皮搭接部分，外形光滑，保证了飞机更好的气动外形。
激光焊接技术已应用于波音、空中客车等主要国际航空企业的飞机制造中，空客A380的机身壁板蒙皮与长桁的连接采用的是激光焊接，此项工艺的应用与传统的铆接工艺相比，节省制造成本大约20%，减轻重量大约10%，同时提高了抗腐蚀能力，缩短了生产周期。
飞机结构中其他一些薄壁零件，如燃油导管、液压导管、环控导管等异形封闭零件，在连接制造中可以采用激光焊接。随着钛合金等新材料的大量使用，这些零件传统的焊接，对于薄壁材料引起的焊接变形超出公差范围，并且焊接缺陷无法修复。激光焊接残余应力小，零件变形小，可以满足质量要求。
3 自动化电磁铆接技术
电磁铆接（俄罗斯称磁脉冲铆接）是一种短时高速成形技术，铆钉在很短时间（一般为200 μm左右）内完成塑性变形，钉杆的膨胀比较均匀，能在材料结构的表面形成比较均匀的干涉量，减少安装损伤，形成长寿命、高可靠性的连接，有传统铆接方法无法比拟的技术优势。可以用于各种材料铆钉的铆接成形。
电磁铆接技术最初是手工的，波音公司在早期的机型如B727和B747等的机翼壁板上就采用了手工电磁铆接技术进行装配。20世纪90年代开始将该技术应用于自动化装配上，并陆续用于波音B777、B767等机型的机翼壁板的自动化装配上。2007年EI公司针对以复合材料为主体的B787飞机，结合自动化技术，通过技术攻关将电磁铆接技术应用于复合材料结构上镦铆型钛环槽钉的自动化安装上，用于波音787复合材料机身段的自动化装配。空客从20世纪90年代开始，也陆续开始将自动电磁铆接技术应用到A320、A330、A340、A380等飞机的机翼壁板自动化装配上及金属结构镦铆型环槽铆钉环圈的自动安装上。2006年为了满足A320机翼壁板生产的需求，配备了先进的机翼壁板自动化电磁铆接柔性装配系统。 4 数字化自动钻铆技术
自动化钻铆的过程是由编制好的程序在数控机床上运行，一次性完成夹紧、钻孔、锪窝、注胶、压铆、铣平等全部工序。
当今世界民用飞机市场竞争激烈，每家公司都在最求更高的安全使用寿命，以及更长的维护周期，这就要求更高的铆接质量，自动钻铆技术消除了铆钉孔的毛刺，从而提高了结构的抗疲劳性，采用机器设备钻铆保证了铆接质量的稳定性，也提高了结构的防腐蚀能力。自动钻铆技术一般用于安装工作量大、表面质量要求严、种类单一的紧固件和具有较好的开敞性的装配件。
空客德国在机身蒙皮铆接时采用自动钻铆系统和柔性装配系统，脱机编程已经应用成熟，可直接与CATIA进行数据交换传递，实现数字自动化铆接，其自动化铆接水平世界领先，不仅保证了高级的铆接质量，也大大地提高了生产效率。波音767机身的机铆率为97%。随着计算机技术的飞速发展，钻铆自动化已经从单台数控钻铆机，向多台自动钻铆机或钻铆装置、铆钉传送装置、托架、真空吸屑装置、传感控制装置等组成的计算机集成控制的柔性自动装配系统方向发展。
5 结束语
随着民用飞机连接制造技术的不断发展，使得飞机制造成本更低、制造周期更短且结构性能更高。因此，飞机在设计阶段就应该考虑应用新的制造技术，最好能够预见设计结束后可能能够应用的最新制造技术，这些技术总的发展趋势是向着飞机制造更精确、更经济、更自动化和飞机飞行更环保、更安全的方向发展。
参考文献
[1]董春林，栾国红，关桥.搅拌摩擦焊在航空航天工业的应用发展现状与前景[J].焊接，2008，6（11）.
[2]纪雨春，李伟剑，李伟红，孙俪燕.激光焊接技术发展及其在航空工业领域的应用[J].航空制造技术，2009（25）.
[3]许国康.电磁铆接技术的发展、设备研制及应用探讨[J].航空制造技术，2010，3（23）.
[4]曹增强.应对我国大飞机研制的装配连接技术[J].航空制造技术，2009，5（2）.
[5]Lohwasser D. Application of friction stir welding for aircraft industry. The 2nd International Symposium on Friction Stir Welding. Sweden；Got henburg，2000.
[6]鹫尾邦彦.Laser material processing application in electronic and electonic industries[C].熔接协会论文集，2001.
关键词 搅拌摩擦焊；激光焊；胶接；电磁铆接；自动钻铆
中图分类号：V26 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）02-0001-02
随着现代科学技术的发展，航空制造业也发生了巨大的变化。特别是近十几年来，随着新材料、新结构和新的设计理念的不断涌现，飞机先进的制造和设计技术在不断创新和发展，民用飞机向新型的高性能、高轻型、高可靠性、高舒适型及长寿命和低成本的方向发展和更新。为了满足现代飞机新型轻质合金、新型复合材料、夹芯材料及新型叠层板材料等结构材料的发展和广泛应用的需求，飞机材料或结构的先进连接技术也备受研究者的关注，并得到了广泛的研究和发展。飞机结构所承受的载荷主要通过连接部位进行传递，这样连接部位就容易发生应力集中。据统计飞机机体疲劳失效事故的70%起因于结构连接部位，其中80%的疲劳裂纹发生于连接孔处，因此，连接质量极大地影响着飞机的寿命。针对不用连接材料或结构特点，采用恰当的连接方式具有非常重要的意义。
目前，国际上采用了多种先进的连接制造技术，这些技术的应用，提高了连接质量，降低了制造成本，提高了工作效率，减轻了结构重量等，具有一系列优点。
1 搅拌摩擦焊接技术
搅拌摩擦焊是一种新的固相焊接方法。焊接过程中，搅拌头旋转下压走过工件结合处，由于搅拌头与被焊接工件强烈持续摩擦，产生极高的热量，使被焊接金属材料在搅拌头附近温度升高并热塑变形，随着搅拌头沿着焊接界面向前搅拌运动，热塑化金属杯搅拌头向后移动，同时施加动态压力，在热塑变形和压力共同作用下，将金属材料焊接在一起，形成致密的焊接接缝。
传统加工方法，飞机壁板和加强筋是铆接一起的，搅拌摩擦焊技术可以代替传统的铆接，这样，就避免了在壁板上钻孔，增强了壁板的抗疲劳能力。同时，由于省去了铆钉，既减轻了结构的重量又降低了材料成本。由于搅拌摩擦焊的诸多优点，国际上飞机制造公司如波音、空客、庞巴迪等已经成功将这种技术应用到飞机结构的连接和制造中，并继续在开发适合飞机结构和材料的新型搅拌摩擦焊工艺方法。
搅拌摩擦焊技术特别适合于机身上平直加筋壁板和小曲率壁板中蒙皮和蒙皮的对接以及蒙皮和加强筋的连接，在大型民用飞机的机身蒙皮结构连接制造中，已经开始用搅拌摩擦焊技术代替传统铆接工艺，该技术已在空客A350-800和A350-900飞机中得到了应用。随着飞机制造公司对该技术的掌握和进一步发展，搅拌摩擦焊技术可以应用到很多个飞机结构的连接制造中，如机身蒙皮的环向对接和框段之间的装配连接制造、飞机中空夹层结构（如尾翼方向舵、副翼及襟翼等）封闭式结构的搅拌摩擦焊整体制造、飞机开口部位（如舱门、窗口、检修和维护口盖等）的加强可以通过搅拌摩擦焊技术实现无铆接头制造、飞机机翼结构中边框和腹板的连接、飞机部分型材结构（如仪器舱地板及隔板、座舱背板、货仓地板及斜台地板等）的连接和制造。
2 激光焊接技术
激光焊接是将高强度的激光辐射到被焊接材料的连接处，激光照射到材料的表面施加能量，被焊接材料将吸收激光的能量转化为热能，使材料熔化交接在一起，然后冷却结晶形成焊接。
激光焊接与其他焊接方法相比具有很多优点，焊接接触面积小，焊接热影响区金相变化范围小，焊接的残余应力小，工件变形小，可以实现高精度焊接，可用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中；焊接不受距离限制，可以焊接难以接近的部位，实施非接触的远距离焊接，对于空间狭小不便操作的区域具有很高的灵活性，也可变换设备将激光束发送至多个工作站，进行自动化高速焊接；可以焊接难熔金属，热敏感性强的材料以及非金属材料，比如钛、石英、陶瓷及有机玻璃等。
在飞机制造中，激光焊接可用于蒙皮与长桁的连接，取代传统的铆接。焊接速度快于铆接，且易于自动化操作，可以提高生产效率。由于省去了铆钉、密封胶、垫板和止裂板，所以降低了制造成本，减轻了飞机结构重量。由于没有铆钉孔，没有应力集中，所以提高了蒙皮的抗疲劳性能和耐腐蚀性能。激光焊接还可用于大块蒙皮的对接，比如机身蒙皮的环向和纵向对接，焊接后的对接质量优良，没有铆钉头和蒙皮搭接部分，外形光滑，保证了飞机更好的气动外形。
激光焊接技术已应用于波音、空中客车等主要国际航空企业的飞机制造中，空客A380的机身壁板蒙皮与长桁的连接采用的是激光焊接，此项工艺的应用与传统的铆接工艺相比，节省制造成本大约20%，减轻重量大约10%，同时提高了抗腐蚀能力，缩短了生产周期。
飞机结构中其他一些薄壁零件，如燃油导管、液压导管、环控导管等异形封闭零件，在连接制造中可以采用激光焊接。随着钛合金等新材料的大量使用，这些零件传统的焊接，对于薄壁材料引起的焊接变形超出公差范围，并且焊接缺陷无法修复。激光焊接残余应力小，零件变形小，可以满足质量要求。
3 自动化电磁铆接技术
电磁铆接（俄罗斯称磁脉冲铆接）是一种短时高速成形技术，铆钉在很短时间（一般为200 μm左右）内完成塑性变形，钉杆的膨胀比较均匀，能在材料结构的表面形成比较均匀的干涉量，减少安装损伤，形成长寿命、高可靠性的连接，有传统铆接方法无法比拟的技术优势。可以用于各种材料铆钉的铆接成形。
电磁铆接技术最初是手工的，波音公司在早期的机型如B727和B747等的机翼壁板上就采用了手工电磁铆接技术进行装配。20世纪90年代开始将该技术应用于自动化装配上，并陆续用于波音B777、B767等机型的机翼壁板的自动化装配上。2007年EI公司针对以复合材料为主体的B787飞机，结合自动化技术，通过技术攻关将电磁铆接技术应用于复合材料结构上镦铆型钛环槽钉的自动化安装上，用于波音787复合材料机身段的自动化装配。空客从20世纪90年代开始，也陆续开始将自动电磁铆接技术应用到A320、A330、A340、A380等飞机的机翼壁板自动化装配上及金属结构镦铆型环槽铆钉环圈的自动安装上。2006年为了满足A320机翼壁板生产的需求，配备了先进的机翼壁板自动化电磁铆接柔性装配系统。 4 数字化自动钻铆技术
自动化钻铆的过程是由编制好的程序在数控机床上运行，一次性完成夹紧、钻孔、锪窝、注胶、压铆、铣平等全部工序。
当今世界民用飞机市场竞争激烈，每家公司都在最求更高的安全使用寿命，以及更长的维护周期，这就要求更高的铆接质量，自动钻铆技术消除了铆钉孔的毛刺，从而提高了结构的抗疲劳性，采用机器设备钻铆保证了铆接质量的稳定性，也提高了结构的防腐蚀能力。自动钻铆技术一般用于安装工作量大、表面质量要求严、种类单一的紧固件和具有较好的开敞性的装配件。
空客德国在机身蒙皮铆接时采用自动钻铆系统和柔性装配系统，脱机编程已经应用成熟，可直接与CATIA进行数据交换传递，实现数字自动化铆接，其自动化铆接水平世界领先，不仅保证了高级的铆接质量，也大大地提高了生产效率。波音767机身的机铆率为97%。随着计算机技术的飞速发展，钻铆自动化已经从单台数控钻铆机，向多台自动钻铆机或钻铆装置、铆钉传送装置、托架、真空吸屑装置、传感控制装置等组成的计算机集成控制的柔性自动装配系统方向发展。
5 结束语
随着民用飞机连接制造技术的不断发展，使得飞机制造成本更低、制造周期更短且结构性能更高。因此，飞机在设计阶段就应该考虑应用新的制造技术，最好能够预见设计结束后可能能够应用的最新制造技术，这些技术总的发展趋势是向着飞机制造更精确、更经济、更自动化和飞机飞行更环保、更安全的方向发展。
参考文献
[1]董春林，栾国红，关桥.搅拌摩擦焊在航空航天工业的应用发展现状与前景[J].焊接，2008，6（11）.
[2]纪雨春，李伟剑，李伟红，孙俪燕.激光焊接技术发展及其在航空工业领域的应用[J].航空制造技术，2009（25）.
[3]许国康.电磁铆接技术的发展、设备研制及应用探讨[J].航空制造技术，2010，3（23）.
[4]曹增强.应对我国大飞机研制的装配连接技术[J].航空制造技术，2009，5（2）.
[5]Lohwasser D. Application of friction stir welding for aircraft industry. The 2nd International Symposium on Friction Stir Welding. Sweden；Got henburg，2000.
[6]鹫尾邦彦.Laser material processing application in electronic and electonic industries[C].熔接协会论文集，2001.