金屬蜂窩壁板釬焊制造技術(shù)：先進技術(shù) 新型結(jié)構(gòu)

為適應(yīng)現(xiàn)代和未來飛機向高速化、機動化、隱形化方向發(fā)展的趨勢，對飛機用結(jié)構(gòu)材料的性能提出了更高的要求，金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)作為一種新型輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)受到越來越多的關(guān)注。

金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖

金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)綜合性能十分突出，主要特點如下：

質(zhì)輕。由于蜂窩是一種多孔的不連續(xù)材料，實體部分的截面積很小，因此蜂窩密度小，質(zhì)量輕。

比強度、比剛度高。對蜂窩壁板結(jié)構(gòu)來說，實際上相當(dāng)于大量的工字梁結(jié)構(gòu)的集合，蜂窩芯相當(dāng)于工字梁的腹板，蜂窩面板相當(dāng)于工字梁的翼板，因此蜂窩壁板結(jié)構(gòu)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(wěn)定性好。

抗沖擊性能好。當(dāng)金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)受到高速沖擊時，在撞擊瞬間產(chǎn)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(jié)構(gòu)被擊穿。橫向沖擊波促使蜂窩芯體發(fā)生變形，而蜂窩芯體為空心結(jié)構(gòu)，不連續(xù)，會不斷吸收、衰減沖擊能量，從而使整個結(jié)構(gòu)的橫向發(fā)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(dāng)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(huán)境，其余熱量以熱傳導(dǎo)方式進入蜂窩壁板結(jié)構(gòu)，由于蜂窩芯與面板連接成整體后，在蜂窩壁板內(nèi)形成了無數(shù)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(dǎo)和芯格壁內(nèi)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(yōu)于任何金屬材料。

消音降噪性能好。消音蜂窩結(jié)構(gòu)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(dāng)聲波通過穿孔板和多孔纖維絲織物進入蜂窩芯體結(jié)構(gòu)，并在底部面板和蜂窩芯格間產(chǎn)生反射，多孔纖維氈對反射聲波產(chǎn)生阻尼作用，繼續(xù)產(chǎn)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(chǎn)生摩擦將聲能轉(zhuǎn)化成熱能降低噪音，從而使周圍環(huán)境噪音降低到正常水平。

正是由于金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)具有質(zhì)輕，比強度、比剛度高，耐高溫、耐腐蝕，消音、隔熱等優(yōu)異性能，在航空航天領(lǐng)域被廣泛認可和大量應(yīng)用，已應(yīng)用于飛機機身、機翼、發(fā)動機艙門、發(fā)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的防火隔墻使整個結(jié)構(gòu)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(fā)動機左右前后共四個艙門均采用了鈦合金蜂窩壁板結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(fā)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(jié)構(gòu)。

針對金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)釬焊制造技術(shù)，北京航空制造工程研究所依托各類基金和預(yù)研及攻關(guān)課題，攻克了金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)研制過程中的幾大難題：

金屬蜂窩芯體型面精密加工技術(shù)。由于金屬蜂窩芯體結(jié)構(gòu)壁薄、剛性差，采用傳統(tǒng)的機械切削加工方法來加工，被切削的蜂窩孔易產(chǎn)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(zhì)量，從而影響后續(xù)零件的整體釬焊。項目組從蜂窩結(jié)構(gòu)本身的特殊性、加工工藝優(yōu)化等方面出發(fā)，經(jīng)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(xù)釬焊裝配要求。

高強、高韌非晶鈦基釬焊料的研制開發(fā)。鈦元素的化學(xué)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(guān)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(jié)合熱力學(xué)手段，研究了釬料合金的熱力學(xué)性質(zhì)，為鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)用釬料最優(yōu)成分范圍的確定以及釬焊工藝的制定提供理論依據(jù)。圖2所示為開發(fā)的釬料，該釬料可制備成非晶狀態(tài)，具有高強度、高韌性等性能優(yōu)勢，極大地提高了鈦合金蜂窩薄壁結(jié)構(gòu)釬焊接頭的塑韌性，目前已將其應(yīng)用于重點型號產(chǎn)品上。

大面積復(fù)雜型面金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制。對于金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)，焊接質(zhì)量是其最關(guān)鍵技術(shù)指標，對于目前型號中研制的金屬蜂窩壁板零件，不僅結(jié)構(gòu)尺寸大，而且型面都非常復(fù)雜，由于采用整體釬焊方法制造，蜂窩芯體與內(nèi)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(zhì)量及蜂窩區(qū)和板板區(qū)性能三方面技術(shù)指標均達到設(shè)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(fù)優(yōu)化釬焊工裝設(shè)計方案，協(xié)調(diào)蒙皮、蜂窩芯體及釬焊工裝之間裝配關(guān)系等方面反復(fù)開展驗證試驗，使整個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)焊合率低的問題，實現(xiàn)了大面積、大曲率鈦合金蜂窩壁板結(jié)構(gòu)的可靠釬焊。

目前已具備的技術(shù)能力如下：不同材料的金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)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(guī)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(jié)構(gòu)的制造及檢測，目前可研制金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)產(chǎn)品最大尺寸規(guī)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(jié)構(gòu)等。

經(jīng)過近十年的基礎(chǔ)研究和技術(shù)攻關(guān)工作，形成了金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)制造相關(guān)技術(shù)標準和體系，建立了金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線，制造的金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)產(chǎn)品已在我國大飛機等多個型號上得到了應(yīng)用。未來，隨著金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)制造技術(shù)成熟度的不斷提升和武器裝備設(shè)計水平的提高，該技術(shù)可在航空、航天、導(dǎo)彈、船舶、列車等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，發(fā)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(dǎo)師，中航工業(yè)焊接技術(shù)特級專家。現(xiàn)任北京航空制造工程研究所副總工程師兼航空發(fā)動機工藝研究室主任，航空焊接與連接技術(shù)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(jié)構(gòu)的先進焊接技術(shù)研究及工程應(yīng)用研究，先后承擔(dān)或主持完成了包括預(yù)先研究、基礎(chǔ)科研、重點型號技術(shù)攻關(guān)等多項重大項目和重點項目，開發(fā)了活性焊劑焊接、金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)研制等技術(shù)方向，榮獲國防和集團科技成果獎十余項，發(fā)表論文二十余篇，申報發(fā)明專利10余項。