一文读懂航空连接技术：飞机上的工艺秘密！

连接技术是制造技术的重要组成部分，也是现代工业中不可或缺的环节。连接技术主要是由焊接技术、机械连接和粘接技术三大类组成。特别是在飞机的制造，发动机制造生产中，连接技术是不可缺少的一项重要技术，同时不断涌现的新科技的新成果赋予了先进连接技术新的起点。

焊接技术

时代的发展使得连接技术总是时时需要面对来自各个方面不同的挑战。挑战之一就是新型材料的出现对连接技术提出的挑战。新型的材料的挑战也成为连接技术发展的重要推动力之一。许多新型材料，比如碳-碳复合材料、陶瓷、耐热合金、钛合金、金属基、陶瓷基等的连接，特别是异种材料之间的连接，普通的焊接方法已经无法满足实际运用各方面性能的需要，因此一些新型的连接技术应运而生。

焊接技术

在航空工业中，焊接技术被广泛用于航空发动机结构中。焊接结构在喷气发动机零件总数所占比例已经超过50%，焊接的工作量占发动机制造总工时的10%左右。在飞机结构中，采用焊接技术的有F111的机翼支撑梁，“狂风”、F14的钛合金中央翼盒、机翼盒形梁及整体壁办等结构。F22后机身前、后梁采用了热等静压钛合金铸件的电子束焊接结构。前苏联20世纪60年代研制的米格-25机体结构的80%是焊接，焊点达到140万个。俄罗斯凭借其高水平的焊接技术、系统的焊接结构研究成果，将结构设计、选材和焊接技术的发展，紧密结合，在飞机制造中大量采用焊接技术。70年代初研制出的苏-27飞机极具代表性，焊接技术的应用几乎遍及全机，除了常规的TIG焊用于飞机导管、某些铝合金构件：点焊用于蒙皮、组合梁、框等零件的高强铝合金构件焊外，广泛采用焊接新技术。

米格-25机体广泛使用焊接技术

苏-27飞机应用焊接技术

电弧焊

电弧焊是目前应用最广的焊接方法。它包括：手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。

绝大部分电弧焊是以电极与工件之间燃烧的电弧作热源。在形成接头时，可以采用也可以不采用填充金属。所用的电极是在焊接过程中熔化的焊丝时，叫作熔化极电弧焊，诸如手弧焊、气体保护电弧焊等；所用的电极是在焊接过程中不熔化的碳棒或钨棒时，叫作不熔化极电弧焊，诸如等离子弧焊等。

电弧焊

电子束焊接技术

电子束焊接具有能量密度极高，容易实现金属材料的深熔透焊接、深宽比大（可达70∶1）、焊缝热影响区小、焊接残余变形小、焊接工艺参数容易精确控制、在真空环境下焊缝纯净、重复性和稳定性好等特点，这些优势是其他熔焊方法难以比拟的，因而电子束焊接在航空航天这些高技术制造领域正日益得到广泛的应用。

飞机制造技术方面，电子束焊接技术是飞机重要承力构件，如钛合金承力框、梁等的关键制造技术之一。电子束焊在国外飞机重要承力构件上的应用。俄罗斯拥有世界最先进的焊接技术，系统的焊接结构研究成果，与结构设计、选材和焊接技术的研发紧密结合，在飞机制造中大量采用焊接技术。

西方国家为了满足研制高水平、高性能飞机的需求，制造商越来越多地采用焊接结构，其中电子束焊接作为一种先进焊接技术，已广泛应用于飞机主要承力构件的制造。其中，以格鲁门公司为代表，他们认为机械加工后进行电子束焊接是制造起落架、飞机大梁和结构骨架的一种正确方法。美国F-22战斗机、欧洲-2000型战斗机机体的部分承力结构、欧洲四国合作研制的EJ200发动机第三级风扇钛合金整体叶盘等均采用了电子束焊。

EJ200发动机

与此同时，应用材料也发生了极大的变化，特别是钛合金零件已经走出了小型薄壁件、整体成形钣金和仅承担输送液体的管筒件三方面次要构件的领域，不断地被制成承担一定载荷的结构件，如飞机翼盒的承力支撑架、机身副支撑梁和发动机机架等。这些结构已在被美国号称为“全钛飞机”的舰载机F-16、F-19和前苏联的SU-27中得到实际应用。目前在SU-34、FY-22和FY-24中大量使用，不仅在战斗机，而且在民用飞机上，如波音的起落架和空客A380的发动机机架上都有使用的先例。由于钛合金的材料特性，这些结构必须在保护气氛或真空室内焊接，这正是电子束焊接技术应用的重要领域。

电焊对钛合金WCS进行焊接

激光焊接技术

激光焊接是以激光为热源进行的焊接。激光是一束平行光，用抛物面镜或凸透镜聚焦，可以得到较高的功率密度。用高密度的激光热源进行焊接，可焊接熔深要求较大的焊缝。

激光焊接具有能量密度高、热影响区小、空间位置转换灵活、可在大气环境下焊接、焊接变形极小等优点。它主要用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长桁的焊接，以保证气动面的外形公差。另外在机身附件的装配中也大量使用了激光焊接技术，如腹鳍和襟翼的翼盒。近年来，激光焊接也多用于薄壁零件的制造中，如进气道、波纹管、输油管道、变截面导管和异型封闭件等。

航空结构中的激光焊接

普惠公司在美国空军项目IMIP计划资助下，建立了涡轮叶片激光焊接中心，可以完成涡轮叶片所需要部件的自动激光焊接，如JT9D和FLO的二级涡轮转子叶片以及V2500、F100PW-220、PW2037、PW4000等发动机的涡轮叶片、导向叶片、机匣、燃烧室等均采用激光焊接工艺技术。V2500发动机的风扇机匣前后段就是日本JACE的相关公司采用6kw的CO2激光将其焊接成整体的。

V2500 发动机

搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是一种通过机械变形连接金属的固态处理工艺。它的优点是无飞溅，无需焊接材料，不需要保护气体，接头无气孔、裂纹、杂质等缺陷，焊缝热影响区小，残余应力低，焊接区域组织变化小。焊缝强度相当于电弧焊焊缝强度的1.3-1.5倍,疲劳寿命与铆接壁板相当,可焊接的材料厚度为1.2-55mm。特别是搅拌摩擦焊可焊接各种铝镁合金材料。因此在航空航天工业中，尤其是在航空铝合金焊接中得到广泛的应用。

搅拌摩擦焊原理

目前，搅拌摩擦焊在飞机制造领域的开发和应用还处于验证阶段，主要利用搅拌摩擦焊实现飞机蒙皮和衍樑、筋条、加强件之间的连接，框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接、飞机结构件和蒙皮的在役修理等，这些方面的搅拌摩擦焊制造已经在军用和民用飞机上得到验证飞行和部分应用。另外波音公司还成功地实现了飞机起落架舱门复杂曲线的搅拌摩擦焊焊接。

飞机曲面带筋壁板结构的搅拌摩擦焊接

美国Eclipse飞机制造公司斥资3亿美元用于搅拌摩擦焊的飞机制造计划，其制造的第一架搅拌摩擦焊商用喷气客机于2002年8月在美国进行了首飞测试。其机身蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等铆接工序均由搅拌摩擦焊替代，提高了生产效率、节约了制造成本并且减轻了机身重量。

商用喷气客机的搅拌摩擦焊焊接构件之一

其他焊接技术在航空领域也得到了相应的应用和发展，如电阻焊、钎焊、等离子弧焊等。

机械连接技术

机械连接工艺是指利用紧固件将零件连接起来的过程和方法。常用的机械紧固件主要有螺栓、螺钉和铆钉。一架现代飞机使用上百万个各类紧固件，其中仅钻孔、铆接过程的劳动量就占部件制造工时的20％。

机械连接已发展为高效、高质量、高寿命、高可靠性的机械连接技术，包括先进高效的自动连接装配技术、高效高质量的自动制孔技术、先进多功能高寿命的连接紧固系统技术、长寿命的连接技术和数字化连接装配技术。

飞机机械连接工艺

铆接技术

通俗的讲铆接就是指两个厚度不大的板，通过在其部位上打洞，然后将铆钉放进去，用铆钉枪将铆钉铆死，而将两个板或物体连接在一起的方法。

铆钉

密封铆接

飞机在高空飞行，气压随飞行高度增加而降低，为了使座舱内有一定的气压，保证乘座人员有适宜的工作、生活条件，舱体必须密封；由于飞机经常处于高温严寒、雨淋、日晒恶劣环境中飞行，密封要求比较高。

飞机上的密封结构有：气密座舱、整体油箱、以及水上飞机的水密舱。

一般的密封形式有：缝内密封、缝外密封、表面密封、紧固件密封。

缝内密封

缝外密封、表面密封

电磁铆接

电磁铆接可代替大功率压铆设备，进行大直径、高强铆钉的铆接；进行难成形材料、大直径及厚夹层的铆接；可以在结构上实现均匀的干涉配合连接。

电磁铆接自动化设备将高能、低重量电磁铆接动力头应用于自动钻铆机，同以液压为铆接动力的自动铆接设备相比，配置电磁铆动力头的自动铆接设备由于不配合液压系统及用于承受铆接后座力的弓形架，可大大简化设备的结构，减少设备的重量和体积。

飞机壁板铆接机

美国格鲁门公司于20世纪70年代初开始将用电磁铆接用于F14复合材料制件的铆接，随后波音公司又在波音系列飞机采用磁脉冲铆接进行装配，包括油箱区的密封铆接。在自动电磁铆接方面，有俄罗斯用于壳体结构和圆筒结构进行补铆的自动化电磁铆接。

自动铆接

飞机结构所承载荷通过连接部位传递，形成连接应力集中。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处，因此连接质量极大地影响着飞机的寿命。现代飞机的安全使用寿命要求日益增长。而手工铆接难以保证寿命要求，必须采用自动钻铆装配设备实现稳定的高质量的连接。

目前连接装配机械化、自动化主要体现在制孔自动化、铆接自动化、装配自动化，自动钻铆制孔主要是对壁板类零件、组件进行制孔然后进行自动铆接，使用部位主要是金属结构的壁板类零件，机器人制孔是解决特殊需要如应用于复合材料零件及自动钻铆机制孔不易实现的部位、或在自动化装配生产线上使用具有重复精度高、生产效率高。

机身自动钻铆设备

机翼自动钻铆设备

螺栓连接

螺纹连接以普通螺栓、螺钉连接为主要形式，应用最广。螺纹连接主要应用于飞机主要承力结构部位的连接。在飞机大部件对接，如机翼与机身的对接多采用高强度的重要螺栓。还有一些需要经常或定期拆卸的结构，如可卸壁板、口盖、封闭结构的连接，以及易损结构件，如前缘、翼尖等的连接，广泛采用托板螺母连接形式，能很好地解决工艺性、检查维修和便于更换的问题。

螺纹连接

飞机上的螺栓接头可分为两类：

受力接头：承受或传递空气动力、操作力、冲击力或加速度引起的比较大的载荷以及连接比较厚的工件；它的主要承受剪力或拉头的连接，段件之间的连接，蒙皮与部件骨架的连接以及骨架重要受力部位的连接等，都采用螺接。这一类螺栓在现代轻型飞机上约有5万多件，重型飞机多达40万件。

非受力接头：主要起连接固定作用，常用在各种仪表、设备、电缆、导管和它们的支持件之间的连接，以及各种大小口盖，整流包皮和蒙皮之间的连接等，也大多采用螺接。

在飞机结构上的螺栓连接件中，除应用一般的普通螺栓外，对于抗疲劳要求高的结构部位，还可以使用高锁螺栓和锥形螺栓。如波音747、DC-10、P-15等飞机的主承受力结构部位上都有所应用。波音747上有高锁螺栓4万件、锥形螺栓7万件。F-15机身中段隔框的两半部连接也用锥形螺栓，以确保振动时不致松动。

高锁螺栓连接

胶接技术

胶接连接

胶接技术可用于连接不同材料、不同厚度、二层或多层结构。胶接结构重量轻，密封性能好，抗声振和颤振的性能突出。胶层能阻止裂纹的扩展，具有优异的疲劳性能，此外胶接结构制造成本和维修成本低。胶接蜂窝胶接结构及金属层板结构在大飞机上的应用前途宽广。

英国在1946年采用全金属胶接技术制造了世界上第一架有铝合金胶接结构的鸽子号支线客机，随后在很多支线客机上得到推广应用。1978年投产的BAe-146客机大量采用胶接结构，到1986年BAe-146客机已经安全飞行了120000h。美国生产的L-1011飞机的增压客舱全部采用了大型的胶接整体壁板，机身增压舱直径大部分为6m，全长46m，由5个筒形舱组成，划分为27块大型胶接壁板。全金属胶接技术在L1011飞机上得到充分发挥。进入80年代后，波音757、767客机也都采用大量的钣金胶接结构。

BAe-146客机部分胶接结构

金属蜂窝夹层粘接结构大量应用于飞机结构始于美国，美国研制的B一58轰炸机，蜂窝夹层粘接结构占机体表面积85%，比铆接结构减重30%。

金属蜂窝夹层粘接

利用胶接技术将各向同性的铝合金薄板与各向异性的纤维复合材料结合起来，可以得到兼具二者优点、并克服各自缺点的新型结构材料-纤维铝合金复合层板胶接结构，基于芳纶纤维的复合层板称为ARALL结构，基于玻璃纤维的复合层板称为GLARE结构。

GLARE层板

GLARE层板具有比ARALL层板更好的损伤容限和更宽的应用范围，ARALL层板的芳纶纤维抗压性能差，在循环压应力作用上容易断裂因此，ARALL层板只能用做机翼下蒙皮，而不适合用做机身蒙皮，GLARE层板结构不存在这个问题。Airbus公司正在研制的A380大型宽体客机将采用GLARE制造机身上壁板，包括整个客舱的上半部分，比采用铝合金板减重800kg。预示着复合层板在大型军、民用运输机上将有较好的应用前景。

GLARE层板结构

随着飞行器对减重、提高性能的需求，先进的连接技术将会起着越来重要的作用。同样也会带来更多的挑战。飞机的连接技术就先介绍到这里吧。