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      金屬蜂窩壁板釬焊制造技術:先進技術 新型結構


      作者:李曉紅 來源:中國航空寶 發布時間:2019-10-7 瀏覽量:


      為適應現代和未來飛機向高速化、機動化、隱形化方向發展的趨勢,對飛機用結構材料的性能提出了更高的要求,金屬蜂窩壁板結構作為一種新型輕質耐高溫結構受到越來越多的關注。

      金屬蜂窩壁板結構由上下薄面板及中間蜂窩芯體整體釬焊而成,如圖1所示。


      圖2 鈦合金用新型釬料

      圖1  典型蜂窩壁板結構示意圖


      金屬蜂窩壁板結構綜合性能十分突出,主要特點如下:

      質輕。由于蜂窩是一種多孔的不連續材料,實體部分的截面積很小,因此蜂窩密度小,質量輕。

      比強度、比剛度高。對蜂窩壁板結構來說,實際上相當于大量的工字梁結構的集合,蜂窩芯相當于工字梁的腹板,蜂窩面板相當于工字梁的翼板,因此蜂窩壁板結構具有很高的抗壓能力。由于蜂窩芯的高度比面板高出很多倍,面板有蜂窩芯的支持,蜂窩壁板的剛度隨之成三次方增大,因此蜂窩剪切強度大,穩定性好。

      抗沖擊性能好。當金屬蜂窩壁板結構受到高速沖擊時,在撞擊瞬間產生了縱向和橫向沖擊波,縱向沖擊波沿蜂窩芯體的軸線方向傳遞,而沿蜂窩芯體軸線,蜂窩芯體具有非常好抗壓和減振性能,可以有效地緩解沿縱向的沖擊變形,防止整個結構被擊穿。橫向沖擊波促使蜂窩芯體發生變形,而蜂窩芯體為空心結構,不連續,會不斷吸收、衰減沖擊能量,從而使整個結構的橫向發生變形的速度遠小于材料中縱向的傳遞速度,有效減少沖擊損傷面積的擴展。

      隔熱性能好。當熱流施加到金屬蜂窩壁板表面時,蒙皮表面將大部分熱量輻射回大氣環境,其余熱量以熱傳導方式進入蜂窩壁板結構,由于蜂窩芯與面板連接成整體后,在蜂窩壁板內形成了無數個接近真空的密閉六角柱形空間,使熱量無法以對流的形式進行,只能以芯格壁的熱傳導和芯格壁內的輻射方式進行,由于芯格壁非常薄,僅占實體材料的1%~3%,因此在接近真空的密閉六角形空間的隔熱性能優于任何金屬材料。

      消音降噪性能好。消音蜂窩結構一般由穿孔板、纖維絲織物、蜂窩芯及實體板整體連接而成,當聲波通過穿孔板和多孔纖維絲織物進入蜂窩芯體結構,并在底部面板和蜂窩芯格間產生反射,多孔纖維氈對反射聲波產生阻尼作用,繼續產生的入射波與反射波相互抵消,另外聲波與面板、纖維絲織物、蜂窩芯格壁產生摩擦將聲能轉化成熱能降低噪音,從而使周圍環境噪音降低到正常水平。

      正是由于金屬蜂窩壁板結構具有質輕,比強度、比剛度高,耐高溫、耐腐蝕,消音、隔熱等優異性能,在航空航天領域被廣泛認可和大量應用,已應用于飛機機身、機翼、發動機艙門、發動機短艙等部位。如俄羅斯“70型”飛機的防火隔墻上采用了面積達30m2的鈦合金蜂窩壁板結構,每塊尺寸達到2000mm×1000mm,蜂窩芯體及蒙皮材料均為BT6鈦合金,蜂窩芯壁厚為0.08mm,芯格尺寸為8mm,芯格高度為15mm,蒙皮厚度為0.5~2.0mm,采用釬焊方法連接。采用鈦合金蜂窩壁板結構的防火隔墻使整個結構重量降低30%,減少機加與裝配工時40%,材料利用率提高到70%。美國F-22“猛禽”發動機左右前后共四個艙門均采用了鈦合金蜂窩壁板結構,左右兩個前艙門尺寸為1.22m×0.762m,左右兩個后艙門尺寸為1.83m×1.22m。X-38方向舵則采用釬焊氧化物彌散強化高溫合金蜂窩壁板結構,使用溫度可以達到1200℃。波音737、747、777、787,空客A320、A330、A380,C-17等飛機翼吊發動機短艙尾噴口部位采用了不同材料(如不銹鋼、鈦合金、高溫合金等)消音蜂窩壁板結構。

      針對金屬蜂窩壁板結構釬焊制造技術,北京航空制造工程研究所依托各類基金和預研及攻關課題,攻克了金屬蜂窩壁板結構研制過程中的幾大難題:

      金屬蜂窩芯體型面精密加工技術。由于金屬蜂窩芯體結構壁薄、剛性差,采用傳統的機械切削加工方法來加工,被切削的蜂窩孔易產生倒伏變形而損壞芯格,無法保證蜂窩芯體外形加工精度和表面質量,從而影響后續零件的整體釬焊。項目組從蜂窩結構本身的特殊性、加工工藝優化等方面出發,經大量工藝試驗,成功解決了蜂窩芯型面加工過程中的倒邊問題,提高了蜂窩精度型面加工精度,目前蜂窩芯體型面加工尺寸精度可達±0.1mm,能夠很好地滿足后續釬焊裝配要求。

      高強、高韌非晶鈦基釬焊料的研制開發。鈦元素的化學活度較大,在釬焊過程中鈦原子極易擴散,盡管有利于釬焊界面的形成,但界面極易形成鈦元素相關金屬間化合物,成為釬焊接頭脆化的隱患所在。項目組基于Pauling的價鍵理論和能帶理論提出的固體與電子理論,從原子間成鍵的角度,對鈦合金釬料成分選擇進行了理論計算,同時結合熱力學手段,研究了釬料合金的熱力學性質,為鈦合金薄壁結構用釬料最優成分范圍的確定以及釬焊工藝的制定提供理論依據。圖2所示為開發的釬料,該釬料可制備成非晶狀態,具有高強度、高韌性等性能優勢,極大地提高了鈦合金蜂窩薄壁結構釬焊接頭的塑韌性,目前已將其應用于重點型號產品上。

      大面積復雜型面金屬蜂窩壁板結構焊接質量控制。對于金屬蜂窩壁板結構,焊接質量是其最關鍵技術指標,對于目前型號中研制的金屬蜂窩壁板零件,不僅結構尺寸大,而且型面都非常復雜,由于采用整體釬焊方法制造,蜂窩芯體與內蒙皮間連接界面多,釬焊過程要求裝配間隙小于0.1mm,要使整個零件的焊合率、外表面質量及蜂窩區和板板區性能三方面技術指標均達到設計要求難度大。項目組從提高蜂窩芯體型面加工尺寸精度、蒙皮成形尺寸精度,反復優化釬焊工裝設計方案,協調蒙皮、蜂窩芯體及釬焊工裝之間裝配關系等方面反復開展驗證試驗,使整個結構的焊合率達到90%以上,成功解決了型號研制中金屬蜂窩壁板結構焊合率低的問題,實現了大面積、大曲率鈦合金蜂窩壁板結構的可靠釬焊。

      目前已具備的技術能力如下:不同材料的金屬蜂窩壁板結構的制造,如不銹鋼、各類鈦合金、Ti-Al金屬間化合物以及各類高溫合金材料等;各類大型、異形蜂窩芯體的制造,蜂窩芯體規格范圍可達:芯格尺寸0.8mm~12.8mm,芯格壁厚0.05~0.12m,芯格高度5mm~180mm;各類大型、異形蜂窩壁板結構的制造及檢測,目前可研制金屬蜂窩壁板結構產品最大尺寸規格可達2600mm×1200mm×180mm;可用于制造飛機機身壁板、口蓋、防火墻、操縱面、金屬熱防護、消音、吸能、減振及抗沖擊結構等。

      經過近十年的基礎研究和技術攻關工作,形成了金屬蜂窩壁板結構制造相關技術標準和體系,建立了金屬蜂窩壁板結構生產線,制造的金屬蜂窩壁板結構產品已在我國大飛機等多個型號上得到了應用。未來,隨著金屬蜂窩壁板結構制造技術成熟度的不斷提升和武器裝備設計水平的提高,該技術可在航空、航天、導彈、船舶、列車等領域得到更廣泛的應用,發揮它具備的獨特性能。

      作者簡介:

      李曉紅,研究員、碩士研究生導師,中航工業焊接技術特級專家?,F任北京航空制造工程研究所副總工程師兼航空發動機工藝研究室主任,航空焊接與連接技術航空科技重點實驗室副主任,國家釬焊標準委員會委員。長期從事鈦合金、高溫合金等新材料與新結構的先進焊接技術研究及工程應用研究,先后承擔或主持完成了包括預先研究、基礎科研、重點型號技術攻關等多項重大項目和重點項目,開發了活性焊劑焊接、金屬蜂窩壁板結構研制等技術方向,榮獲國防和集團科技成果獎十余項,發表論文二十余篇,申報發明專利10余項。

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