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中國航空焊接/連接技術(shù)的發(fā)展與未來

2014-03-24 16:00:00
admin
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摘要: 連接技術(shù)包括焊接技術(shù)、機(jī)械連接技術(shù)和粘接技術(shù),它是制造技術(shù)的重要組成部分,也是航空飛機(jī)、發(fā)動機(jī)制造中不可缺少的技術(shù)。 網(wǎng)址:http://www.zqhz123.com/
連接技術(shù)包括焊接技術(shù)、機(jī)械連接技術(shù)和粘接技術(shù),它是制造技術(shù)的重要組成部分,也是航空飛機(jī)、發(fā)動機(jī)制造中不可缺少的技術(shù)。 

先進(jìn)連接技術(shù)的發(fā)展總是不斷地從新科技的成果中獲得新的出發(fā)點(diǎn)。20世紀(jì)初電弧應(yīng)用于焊接產(chǎn)生了電弧焊,在造船、汽車、橋梁、航空航天等產(chǎn)業(yè),創(chuàng)造出了很多大型焊接結(jié)構(gòu),使焊接成為一種重要的連接技術(shù)。20世紀(jì)中期,電子束、等離子弧、激光束相繼問世, 高能束連接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,其應(yīng)用如航空發(fā)動機(jī)的電子束焊接,立即創(chuàng)造出了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 

新型材料的出現(xiàn)對連接技術(shù)提出了新的課題,成為其發(fā)展的重要推動力。 很多新材料,如耐熱合金、鈦合金、陶瓷、金屬基/陶瓷基/樹脂基/碳-碳復(fù)合材料等的連接,特別是異種材料之間的連接,采用通常的焊接方法無法完成,擴(kuò)散焊、摩擦焊、超塑成形擴(kuò)散連接、液相擴(kuò)散焊、活性釬焊、高性能粘接與機(jī)械連接等方法應(yīng)運(yùn)而生,解決了很多過往無法解決的材料連接題目。 

新產(chǎn)品、新構(gòu)件和新器件對連接技術(shù)提出了新的要求,促進(jìn)傳統(tǒng)連接技術(shù)的精益求精與連接技術(shù)的創(chuàng)新,以適應(yīng)發(fā)展的要求,如微連接技術(shù)、精密釬焊技術(shù)、加活性焊劑的氬弧焊及電弧-激光等復(fù)合能源高效焊技術(shù)等。 

焊接制造工藝由于其工藝的復(fù)雜性,以及對勞動強(qiáng)度、產(chǎn)品質(zhì)量、批量等要求,使得焊接工藝對于機(jī)械化、自動化、智能化的要求極為迫切。目前電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為焊接過程的自動化與智能化提供了十分有利的技術(shù)基礎(chǔ),并已滲透到焊接各領(lǐng)域中,近20年來,在自動焊接技術(shù)方面已取得很多研究與應(yīng)用成果。 


國內(nèi)外先進(jìn)連接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 

1 先進(jìn)/特種焊接技術(shù) 

在航空飛機(jī)、發(fā)動機(jī)的研制和生產(chǎn)中,焊接技術(shù)已經(jīng)成為主導(dǎo)工藝方法之一。它的進(jìn)步與發(fā)展不僅能減輕飛機(jī)、發(fā)動機(jī)的重量,而且還為航空飛機(jī)、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新構(gòu)思提供技術(shù)支持,促進(jìn)航空飛機(jī)、發(fā)動機(jī)性能的進(jìn)步。 

(1) 國外情況 

航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)中廣泛采用了各種焊接技術(shù)。焊接結(jié)構(gòu)件在噴氣發(fā)動機(jī)零部件總數(shù)中所占比例已超過50%,焊接的工作量已占發(fā)動機(jī)制造總工時的10%左右。 在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中,F(xiàn)111的機(jī)翼支承梁(鋼結(jié)構(gòu))和狂風(fēng)、F14的鈦合金中心翼翼盒、機(jī)翼盒形梁及整體壁板結(jié)構(gòu)等重要的結(jié)構(gòu)上采用了焊接技術(shù)。F22后機(jī)身前后梁采用了熱等靜壓鈦合金鑄件的電子束焊接結(jié)構(gòu),原蘇聯(lián)20世紀(jì)60年代研制的米烙25機(jī)體結(jié)構(gòu)的80%(結(jié)構(gòu)重量)是焊接的,焊縫長達(dá)4000多m,焊點(diǎn)達(dá)到140萬個。蘇27飛機(jī),大量采用了鈦合金材料和焊接技術(shù)(60多項(xiàng)發(fā)明創(chuàng)新),是其保證飛機(jī)性能和減重的決定性因素。用氬弧焊、電子束焊制造了米格29的機(jī)身整體油箱和米格33的機(jī)頭(含座艙)。該油箱與原蘇聯(lián)D16鋁合金鉚接油箱相比,減重24%。其中,由于1420鋁鋰合金的密度小,減重12%(若重新設(shè)計(jì),可減重15%~16%);另12%是由于焊接結(jié)構(gòu)省掉金屬重疊部分、鉚釘、螺栓和密封膠。該油箱可在機(jī)場條件下修理,由于該結(jié)構(gòu)補(bǔ)焊后無需熱處理工序。 俄羅斯皮列亞寧院士1990年在我國講學(xué)時曾說過:“用發(fā)展的眼光看,其遠(yuǎn)景將出現(xiàn)全焊接結(jié)構(gòu)的飛機(jī),不僅可省掉重達(dá)幾噸的密封件,更重要的是焊接過程比鉚接過程更易于實(shí)現(xiàn)自動化。”
(2) 國內(nèi)情況 

20世紀(jì)60年代以來,國內(nèi)設(shè)計(jì)的飛機(jī)上采用焊接結(jié)構(gòu)越來越少,飛機(jī)廠除增添了幾臺氬弧焊機(jī)(含脈沖氬弧焊)、三相低頻或二次整流點(diǎn)縫焊機(jī)和個別真空充氬弧焊設(shè)備外,三四十年一切如故,車間及設(shè)計(jì)陳舊不堪,技術(shù)水平下降。MD-82飛機(jī)的生產(chǎn)除導(dǎo)管感應(yīng)釬焊和薄板TIG焊、點(diǎn)縫焊外,其余變化不大。 

引進(jìn)蘇27的生產(chǎn)權(quán)使國內(nèi)航空界受到極大的震動。其機(jī)體的焊接組件部件近千件,涉及的零件近萬件,幾乎遍及整個飛機(jī)機(jī)體。重要的承力構(gòu)件較多地采用了焊接構(gòu)件,如高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼起落架的電子束焊,鈦合金隔框和梁的潛弧焊,2號油箱鈦合金下壁板和進(jìn)氣道防護(hù)隔柵采用穿透焊,后機(jī)身的鈦合金蒙皮壁板采用TIG焊和點(diǎn)、縫焊,鋁合金、不銹鋼、鈦合金導(dǎo)管采用TIG焊、感應(yīng)釬焊(含現(xiàn)場安裝感應(yīng)釬焊)。通過建線及材料國產(chǎn)化階段的攻關(guān),對俄羅斯的焊接技術(shù)已基本把握;在承力框上正以先進(jìn)的EBW取代質(zhì)量較差的潛弧焊工藝,由于免除反復(fù)機(jī)加工-焊接-熱處理的過程,將明顯地進(jìn)步生產(chǎn)效率和降低本錢。在該型機(jī)的機(jī)載設(shè)備建線階段,除常規(guī)焊接方法外,還有電子束釬焊、擴(kuò)散焊、激光焊、真空釬焊、等離子弧焊及凸焊等工藝。 

國內(nèi)發(fā)動機(jī)行業(yè)通過多個型號的實(shí)踐,焊接技術(shù)已取得較大的進(jìn)步,很多新工藝如EBW、IFW、VB、自動氬弧焊、軌跡氬弧焊和弧焊機(jī)器人、SPF/DB、PAW及低應(yīng)力無變形焊接技術(shù)等均得到了應(yīng)用。但是國產(chǎn)材料成分及其狀態(tài)的控制以及焊接工藝及其流程尚待完善,仍需積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù),為設(shè)計(jì)及制造的改進(jìn)提供依據(jù)。 

2 機(jī)械連接技術(shù)(略) 

3 粘接結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)(略) 

幾種典型航空零件及焊接技術(shù)的應(yīng)用情況 

1 大型寬弦風(fēng)扇葉片 

大型寬弦風(fēng)扇葉片是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)典型部件之一,其發(fā)展過程與連接技術(shù)密不可分。 

第一代寬弦無凸臺的風(fēng)扇葉片為RR公司20世紀(jì)80年代研制成功的面板/蜂窩夾芯組成的,用到鈦合金釬焊技術(shù)。

第二代寬弦無凸臺風(fēng)扇葉片為三層鈦合金超 塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)葉片。 

第三代寬弦無凸臺風(fēng)扇葉片也是鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)。另外,第三代還有金屬基復(fù)合材料(TiMCs)風(fēng)扇葉片。

目前,我國已能生產(chǎn)四層鈦合金超塑成型/擴(kuò)散連接(SPF/DB)風(fēng)扇導(dǎo)流葉片,并具備了研制大型寬弦風(fēng)扇葉片的基礎(chǔ)和能力。
2 整體葉盤結(jié)構(gòu) 

整體葉盤(Blisk)將葉片與輪盤制造(或焊接)成一體。無需加工榫頭、榫槽,盤的輪緣徑向高度及厚度和葉片原榫頭部位尺寸可大大減少,減重效果明顯(可減重50%,葉環(huán)結(jié)構(gòu)Bling減重達(dá)100%);消除了榫齒根部縫隙中的逸流損失;避免了葉片和輪盤裝配不當(dāng)造成的微動磨損、裂紋以及鎖片損壞帶來的故障;零件數(shù)大大減少,有利于裝配和平衡。可以說整體葉盤是第四代噴氣發(fā)動機(jī)的典型新結(jié)構(gòu)之一。整體葉環(huán)是第五代噴氣發(fā)動機(jī)的典型新結(jié)構(gòu)之一。 

整體葉盤的坯料可以是整體的,通過數(shù)控銑削或利用電解加工的方法加工整體葉盤;也可以是分體式焊接結(jié)構(gòu)。小的發(fā)動機(jī)中還有精鑄的整體葉盤。 

分體式焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:葉片和盤可以是異種或不同狀態(tài)的材料,也可以采用不同質(zhì)量的材料,如F119的一級風(fēng)扇葉片是就是空心的,JSF備選發(fā)動機(jī)F120的第一級風(fēng)扇葉片為SOF/DB夾層結(jié)構(gòu);可以減輕對毛料制備工藝和設(shè)備的壓力,并有得于節(jié)約原材料和加工工時,進(jìn)步質(zhì)量。 

分體式焊接葉盤結(jié)構(gòu)可以采用多種焊接方法,如電子束焊(可采用其他熔焊)、擴(kuò)散焊及線性磨擦焊。前兩者對Ti合金較適宜,鈦合金電子束焊及擴(kuò)散焊的工藝性較好。若采用形變高溫合金,尤其是粉末高溫合金的盤,LFW將是最佳選擇。 

線性磨擦焊(LFW),美國也稱Transitional Friction Welding(TFW),作為整體葉盤單個葉片的修理工藝于20世紀(jì)80年代中期開發(fā)的,與 EBW、DB等焊接方法相比,LFW效率高,質(zhì)量好,焊縫區(qū)組織極細(xì),焊接接頭的靜、動載力學(xué)性能達(dá)到甚至超過母材的水平。除能焊接鈦合金、一般形變高溫合金外,可以焊接粉末冶金的高溫合金,所以目前已用作整體葉盤的生產(chǎn)工藝。 

葉盤結(jié)構(gòu)目前主要用于風(fēng)扇和壓氣機(jī)部分。根據(jù)美國IHPTET劃,到2020年戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動機(jī)的渦輪也將采用整體葉盤結(jié)構(gòu)(LFW、HIP—DB)。90年代末,帶超級冷卻葉片的高壓渦輪整體葉盤已進(jìn)行了核心機(jī)的試驗(yàn)。 

我國對上述整體葉盤的生產(chǎn)工藝也開展了相應(yīng)的研究。 

3 鼓筒式整體轉(zhuǎn)子 

EBW和IFW的盤鼓結(jié)構(gòu)是三代機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是:減少了大量的盤與盤之間的連接螺栓,使發(fā)動機(jī)的零件數(shù)和重量大大減少;減少或消除了應(yīng)力集中的螺栓孔;整體轉(zhuǎn)子剛性好,可得到較高的平衡精度,減小振動,有利于保持較小的葉尖。 

4 大型寬弦風(fēng)扇葉片 

鈦合金由于其優(yōu)良的綜合性能在航空領(lǐng)域應(yīng)用的越來越多,鈦合金的焊接/連接技術(shù)也已成為產(chǎn)業(yè)部分的研究熱門。先進(jìn)飛機(jī)的中后機(jī)身一般采用鈦合金框。其制造工藝路線有三種:

1)整體鑄造經(jīng)數(shù)控加工制成。

2)小型鍛件經(jīng)焊接成整體結(jié)構(gòu),然后經(jīng)數(shù)控加工制造。

3)經(jīng)鑄件+熱等靜壓+焊接連接+數(shù)控加工 

F-22后機(jī)身鈦合金整體框,采用大型模鍛件,投影面積為5.53m2。由于我國的精密鑄造技術(shù)與先進(jìn)國家比還較落后,航空產(chǎn)品大型結(jié)構(gòu)件上還沒有采用大型模鍛件。目前均采用整體大鍛件毛坯(最大投影面積約0.6m2)經(jīng)機(jī)械加工成形,然后分段焊接而成。

5 飛機(jī)起落架的焊接 

歐美國家起落架選用300M和35NCD16低合金超高強(qiáng)度鋼整體鍛件結(jié)構(gòu)加工工藝,零件外形加工后進(jìn)行真空熱處理或可控氣氛熱處理。材料利用率只有12.5%-25.0%。 

俄羅斯起落架選用30CrMnSiNi2A(真空冶煉)低合金超高強(qiáng)度鋼鍛件焊接結(jié)構(gòu)加工工藝,主要受力構(gòu)件采用高壓真空電子束焊焊接,焊后進(jìn)行熱處理(空氣爐加熱+鹽浴爐淬火)。 

目前,新型的高強(qiáng)度、高韌性和高腐蝕抗力的改進(jìn)型鎳-鈷低碳合金鋼已開始在艦載飛機(jī)起落架上應(yīng)用,最典型的材料是AerMet100和AF100,此類材料除具有優(yōu)異的綜協(xié)力學(xué)性能外,還具有優(yōu)良的疲憊性能和焊接性能,可替換現(xiàn)在使用的起落架結(jié)構(gòu)材料300M和4340鋼等。國內(nèi)起落架受力構(gòu)件材料主要采用300M和30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼,有的采用整體加工,有的采用焊接結(jié)構(gòu)。大型構(gòu)件的深孔加工和熱處理變形控制以及超高強(qiáng)度鋼的高效數(shù)控切削加工是國內(nèi)起落架加工存在的主要題目。另外AerMet100鋼尚未應(yīng)用。
發(fā)展思路

通過國內(nèi)外情況對比分析,可看出連接技術(shù)的主要發(fā)展趨勢是: 

1)新型或特種材料及異種材料構(gòu)件的連接。
2)復(fù)雜產(chǎn)品、構(gòu)件和器件精密連接。 
3)焊接過程的自動化與智能控制。 
4)太空等特殊環(huán)境工作條件下的焊接。
5)復(fù)雜焊接產(chǎn)品質(zhì)量的可靠檢測與壽命評估。
6)傳統(tǒng)連接工藝的改進(jìn)及新型焊接工藝方法的開發(fā)。
7)綠色連接技術(shù)和再利用修復(fù)技術(shù)。 

1 焊接技術(shù) 

從國內(nèi)外飛機(jī)、發(fā)動機(jī)已采用的擬采用的焊接結(jié)構(gòu)及焊接技術(shù)發(fā)展概況看,今后我國航空焊接技術(shù)應(yīng)注重如下幾方面: 

1)加速新焊接方法的應(yīng)用研究。盡快把握激光雙光束填絲焊、攪拌摩擦焊、線性摩擦焊、活性劑-氣保護(hù)弧焊等新工藝,完善性能數(shù)據(jù),把握最佳焊接工藝及其流程。 

2)進(jìn)一步擴(kuò)大電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用,解決塑性較差的高強(qiáng)鈦合金、超高強(qiáng)鋼以及大厚度材料框和盒形梁等結(jié)構(gòu)的焊接工藝。 

3)氣保護(hù)焊、等離子弧焊要向數(shù)字化技術(shù)靠攏,進(jìn)步自適應(yīng)能力(弧長調(diào)節(jié)、焊縫跟蹤及軌跡控制、焊槍方位及熔透控制等),完善各類低應(yīng)力無變形焊接技術(shù),使之穩(wěn)定地應(yīng)用于生產(chǎn)。 

4)配合材料研究部分,把握4121、1460、2195鋁鋰合金,6013、6056鋁鎂硅合金,Ti55、Ti60高溫鈦合金,SP-700、Ti153、B21S、Ti17高強(qiáng)高韌鈦合金,以及BKC-210/240、Aermet100/310等超高強(qiáng)鋼的焊接技術(shù)。 

5)把握ODS材料、粉末高溫合金及金屬間化合物的擴(kuò)散連接工藝,關(guān)注各類蜂窩結(jié)構(gòu)(如全點(diǎn)焊高溫合金蜂窩壁板、LID-DB鈦合金蜂窩壁板)制造技術(shù)及其應(yīng)用。 

6)探索熱塑性樹脂基復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料、工程陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料以及C/C復(fù)合材料連接技術(shù)。

7)建立焊接工藝數(shù)據(jù)庫(含資源治理、工藝文件),實(shí)現(xiàn)各種厚度結(jié)構(gòu)件焊接過程中焊縫收縮及應(yīng)力應(yīng)變的仿真技術(shù),進(jìn)一步加強(qiáng)焊接結(jié)構(gòu)完整性及可靠性評定技術(shù)研究。 

8)建立并精益求精完善飛機(jī)及發(fā)動機(jī)件的焊接數(shù)字化生產(chǎn)線。 

2 機(jī)械連接技術(shù)(略) 
3 粘接技術(shù)(略) 

結(jié)束語 

隨著飛機(jī)、發(fā)動機(jī)對減重、進(jìn)步性能的需要,先進(jìn)及特種焊接技術(shù)、先進(jìn)粘接技術(shù)、高質(zhì)量機(jī)械連接技術(shù)等先進(jìn)連接技術(shù)起著越來越重要作用。相信中國航空焊接/連接技術(shù)在需求牽引,技術(shù)推動的相互作用下,一定會取得快速進(jìn)步。(end)

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