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航空金属材料中铝锂合金的激光复合焊

2010-05-26 10:45
林契于宸
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  现代飞机结构材料的发展趋势是:大力发展高比强、高比模、抗腐蚀、耐高、低温的多功能结构材料,实现结构减重;提高材料与结构制备技术,降低制造成本和维护成本。现代机体材料仍以铝合金为主,钢用量趋于减少,钛合金用量显著增加。航空发动机主要材料有铝合金、钛合金、高温合金以及各类高温复合材料等。铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。

  铝锂合金简介

  工业生产铝锂合金指含Li量1%~3%,以Li作为主要强化元素的铝合金。合金中加入Li的目的是增加合金的弹性模量,降低合金的密度(密度比一般铝合金低5%~12%,弹性模量高5%~8%)。铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的超塑成型性能;其强度、断裂韧性、屈服强度、疲劳性能都是随着温度的降低而提高;它有良好的超塑性,可以制成形状复杂、难以成形的零件,减少劳动强度和减轻结构的重量。用其取代常规的铝合金可使构件质量减轻15%,刚度提高15%~20%,被认为是航空航天工业中的理想结构材料。在该领域,铝锂合金己在许多构件上取代了常规高强铝合金。


 
图 1 空客A380结构件的材料分配

  从空客A380选材的分布来看(图1),铝合金占的比重最大,达机体结构重量的61%,因此要实现性能改进,必须开发创新的铝合金材料和工艺技术,具体是提高强度和损伤容限,加强稳定性并提高抗腐蚀能力。空客A380使用了2099、2199、2196等铝锂合金。用于A380的地板梁,如横梁、座椅滑轨、座舱以及应急舱地板结构、电子设备安装架及角形物,可减重几百公斤。俄罗斯下一代窄体客机MS-21将采用复合材料机翼和尾翼,而机身将由先进合金如铝锂合金制成。

  激光复合焊技术

  随着激光焊接技术在工业中的成熟应用,激光焊接技术的不足之处也日渐显露。首先,激光焊接设备投资大,电效率低(一般低于10%,当前光纤激光器的出现激光的电效率才提高到30%左右);其次是对工件的焊接装配精度要求高,如对接间隙、错边量要求小于0.1mm或板厚的10%,这不仅需要专门的夹具和加工,也给实际应用带来很大的困难;再者大功率激光焊接过程的等离子体对激光的吸收、反射作用,降低焊接稳定性和激光能量的利用率,且高焊接速度导致焊接接头快速凝固,易引起气孔、咬边缺陷,焊缝组织脆性,甚至出现焊接裂纹;此外对于高反射率材料(铝合金、铜合金)难以实现激光焊接。针对这些问题,国内外学者一直在致力于提高激光焊接适应性的研究,目前最主要的途径是采用激光-电弧复合焊接的方法。

  激光焊与另一种焊接方法相结合的焊接技术称为“激光复合焊接(LASER Hybrid Welding)”,其中,激光束和电弧同时作用于焊接区,互相影响和作用称为“激光-电弧复合焊接”。激光焊接与电弧焊接是两种不同的焊接工艺,通过激光与电弧的相互影响,可克服每一种方法自身的不足,进而产生良好的复合效应,从而获得优良的综合性能,在改善焊接质量和生产工艺性的同时,提高效率/成本比。另外激光复合焊接工艺还具有更好的间隙容忍性、高的焊接速度以及优秀的机械性能,因而对航空制造业来说具有极大的吸引力和经济效益。

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