給焊接技術(shù)“加碼”為航空航天裝備“減重”
—— 南昌航空大學(xué)陳玉華教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新成果紀(jì)實(shí)

◎ 文/李云山

提到焊接，許多人腦海中首先浮現(xiàn)的可能是一幅火花飛濺、煙霧嗆鼻，以及電弧旁焊接工人在高溫下?lián)]汗如雨忙碌的畫面。

其實(shí)，時(shí)至今日焊接早已遠(yuǎn)非這么簡(jiǎn)單。被稱為“工業(yè)縫紉機(jī)”的焊接，簡(jiǎn)單來說是將兩個(gè)零件連接成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。如今，小到制作一枚集成電路芯片、大到建造一艘航空母艦，都離不開焊接。

2006 年，博士畢業(yè)的陳玉華教授進(jìn)入南昌航空大學(xué)焊接工程系執(zhí)教。2007 年，在他晉升為焊接工程系副主任的同一年，他瞄準(zhǔn)超薄結(jié)構(gòu)在航空航天結(jié)構(gòu)上的需求，啟動(dòng)了“超薄金屬構(gòu)件激光微焊接關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”的科項(xiàng)目研究。項(xiàng)目從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化推廣，前后歷時(shí)十年有余，先后發(fā)明了超薄壁構(gòu)件焊接質(zhì)量控制技術(shù)及裝備、高溫合金“活性劑-激光”微連接新技術(shù)和控制超薄記憶合金與鈦合金異種材料激光微焊接接頭裂紋等方法，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

“從應(yīng)用角度來講，這項(xiàng)研究主要是幫航空航天裝備‘減重’，助力中國(guó)航空航天事業(yè)飛得更高、更遠(yuǎn)?！标愑袢A說。

助力結(jié)構(gòu)減重

高端裝備制造是我國(guó)七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，而在高端裝備制造的細(xì)分領(lǐng)域中，航空航天裝備被列在了首位。

如今，綠色輕量化正成為航空航天裝備發(fā)展的重要方向。以飛行器為例，它的“減重”，不僅能提升自身“升限”（爬高能力上限），還可顯著降低成本，“事實(shí)上，減重在航空航天領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位?！?陳玉華說。而要實(shí)現(xiàn)飛行器的減重，除了采用新型材料及改型材料外，另一個(gè)主要途徑就是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括采用超薄金屬構(gòu)件（厚度小于0.5mm）。

“隨著航空航天裝備對(duì)結(jié)構(gòu)減重的需求越來越強(qiáng)烈，不少零部件的壁厚正變得越來越薄。又由于壁厚小于0.5mm 的結(jié)構(gòu)對(duì)焊接技術(shù)的要求與常規(guī)厚度零件的要求有很大不同，焊接難度大、焊接質(zhì)量難以保證，因此必須對(duì)焊接技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新?！?陳玉華說。

南昌航空大學(xué)焊接專業(yè)有著悠久的歷史，其專業(yè)水平在國(guó)內(nèi)同類院校中長(zhǎng)期名列前茅，因而自覺承擔(dān)起了這一新形勢(shì)下的使命任務(wù)。

協(xié)同創(chuàng)新攻關(guān)

自2007 年開始，陳玉華與團(tuán)隊(duì)緊緊圍繞產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)需求，從主動(dòng)控制焊接質(zhì)量的理念出發(fā)，借力與上海航天設(shè)備制造總廠有限公司、中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司等企業(yè)間的產(chǎn)學(xué)研合作，在有關(guān)科研項(xiàng)目的支持下，開展了長(zhǎng)期的焊接技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

——發(fā)明超薄壁構(gòu)件焊接質(zhì)量控制技術(shù)及裝備。超薄壁金屬構(gòu)件的焊接，極小的錯(cuò)邊量就會(huì)極大的影響焊接質(zhì)量，同時(shí)，壁厚薄易產(chǎn)生較大的焊接變形，且容易被燒穿，導(dǎo)致焊接質(zhì)量難以控制。針對(duì)這些難題，陳玉華與團(tuán)隊(duì)對(duì)焊接時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)邊、燒穿及變形的原因進(jìn)行了深入研究，在此基礎(chǔ)上推出了相關(guān)的控制技術(shù)，發(fā)明了一種超薄壁筒形構(gòu)件隨焊柔性焊接夾具裝置，進(jìn)而很好地攻克了傳統(tǒng)焊接錯(cuò)邊、燒穿、變形等難題，實(shí)現(xiàn)了厚度為0.2mm 的超薄構(gòu)件的高質(zhì)量焊接。

“這項(xiàng)技術(shù)目前已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)某環(huán)形零件的焊接制造中應(yīng)用，不僅提高了產(chǎn)品合格率和焊接質(zhì)量，降低了成本，還成功替代進(jìn)口產(chǎn)品，突破了國(guó)外技術(shù)封鎖?！?陳玉華說。

——發(fā)明超薄形狀記憶合金與鈦合金異種材料激光微焊接裂紋控制技術(shù)。焊接裂紋是焊接件中最常見的一種嚴(yán)重缺陷。如今，形狀記憶合金與鈦合金的連接結(jié)構(gòu)在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。然而，傳統(tǒng)焊接技術(shù)在焊接這兩種金屬材料時(shí)，其焊接接頭常會(huì)產(chǎn)生大量的裂紋，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量。通過研究，陳玉華等人發(fā)現(xiàn)，采用熔化焊等傳統(tǒng)焊接方法，焊縫熔合線附近會(huì)產(chǎn)生大量的Ti2Ni 脆性金屬間化合物，這是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的誘因。之后他們嘗試添加填充材料來抑制裂紋的形成，同時(shí)對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，最終成功突破了裂紋控制技術(shù)難題，獲得了無缺陷的焊接接頭。

除此之外，他們還通過設(shè)計(jì)、制造專用整體保護(hù)裝置，加強(qiáng)了焊接過程中的氣體保護(hù)，提高了焊接質(zhì)量；根據(jù)焊接接頭彎曲性能測(cè)試的需要，發(fā)明了超薄壁焊接接頭專用小半徑彎曲性能測(cè)試裝置；還基于相關(guān)理論研究結(jié)果，發(fā)明了一種超薄NiTiNb 寬滯形狀記憶合金與鈦合金異種金屬連接方法……目前該技術(shù)已在大型空間展開機(jī)構(gòu)的研發(fā)上開展應(yīng)用。

——成功研制高溫合金用激光焊活性劑，發(fā)明薄壁構(gòu)件“活性劑-激光”微連接新技術(shù)。激光焊接技術(shù)具有可焊各種金屬材料、焊接速度快、焊縫深寬比大、焊接變形小、易于實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化等特點(diǎn)，被認(rèn)為是21 世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ母吣苁骱笝C(jī)技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于航空航天制造業(yè)。可是，采用大功率激光進(jìn)行焊接時(shí)，由于熱輸入量大、易產(chǎn)生燒穿；采用低功率脈沖激光時(shí)，能量較高時(shí)熔池金屬汽化嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致焊縫區(qū)材料厚度減薄，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度受到損害，而降低能量又會(huì)出現(xiàn)未焊透缺陷。

因此迫切需要開發(fā)新的焊接技術(shù)。

“激光焊接盡管比較優(yōu)勢(shì)明顯，可大多數(shù)金屬材料對(duì)激光的反射率很高，如果不對(duì)其表面進(jìn)行特殊處理，激光焊接將可能會(huì)失去優(yōu)勢(shì)。” 陳玉華說，活性劑焊接技術(shù)適時(shí)進(jìn)入了科學(xué)家們的視野。

在此背景下，陳玉華與團(tuán)隊(duì)自主研制了一種可改善焊縫成形、增加焊接熔深用于高溫合金激光焊的活性劑，發(fā)明了高溫合金“活性劑-激光” 微連接新技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了較低能量下的深熔焊接，避免了焊接能量過高時(shí)被焊材料的嚴(yán)重汽化和能量過低時(shí)產(chǎn)生未焊透缺陷對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和韌性的損害，獲得了優(yōu)質(zhì)焊接接頭，焊接接頭強(qiáng)度和母材等強(qiáng)。

該技術(shù)填補(bǔ)了高溫合金激光焊接活性劑領(lǐng)域的技術(shù)空白。

“超薄金屬構(gòu)件激光微焊接關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用” 項(xiàng)目的開展，收獲了豐碩的成果。共獲得10 項(xiàng)發(fā)明專利、6項(xiàng)實(shí)用新型專利授權(quán)，出版學(xué)術(shù)專著1 部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文68 篇。產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用穩(wěn)步推進(jìn)，核心技術(shù)與裝備先后在上海航天設(shè)備制造總廠有限公司等合作單位應(yīng)用，并在北京寶航新材料有限公司、江西匯思成科技有限公司等單位推廣，技術(shù)成熟、重現(xiàn)性好，生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定。2018 年8 月3 日，由中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)組織的項(xiàng)目成果評(píng)價(jià)，其鑒定結(jié)果為：項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)新性強(qiáng)，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

逐夢(mèng)焊接強(qiáng)國(guó)

1979 年出生的陳玉華今年步入了不惑之年?；厥自谀喜娇沾髮W(xué)度過的這十幾年時(shí)光，他幾乎每天工作14個(gè)小時(shí)以上，經(jīng)常忙到晚上十點(diǎn)才回家，并放棄了大部分的節(jié)假日和休息時(shí)間。2011 年1 月起擔(dān)任焊接工程系主任后，他更是將焊接專業(yè)發(fā)展與人才培養(yǎng)放在了首位。

“焊接是裝備制造業(yè)中應(yīng)用最廣的共性關(guān)鍵技術(shù)，中國(guó)已是名副其實(shí)的世界最大焊接大國(guó)，但還不是焊接強(qiáng)國(guó)。我們的許多關(guān)鍵焊接材料、設(shè)備尚且依賴進(jìn)口，總體研發(fā)、創(chuàng)新水平和速度也都不高。響應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略需要，促進(jìn)焊接專業(yè)發(fā)展，是每個(gè)昌航焊接人的責(zé)任！” 陳玉華說。

南昌航空大學(xué)焊接工程系在科研、教學(xué)以及師資等方面均有較好的基礎(chǔ)，教育質(zhì)量保住全國(guó)前三的排名是他們長(zhǎng)期努力的方向。作為2010年江西省高校骨干教師的陳玉華，一直致力于打造一支“焊接技術(shù)與工程專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)” 的“國(guó)家隊(duì)”。

做研究，他們堅(jiān)持“頂天立地”。一方面積極致力于基礎(chǔ)研究，另一方面積極與產(chǎn)業(yè)界密切合作推動(dòng)成果應(yīng)用。在此過程中，他們創(chuàng)建了高效務(wù)實(shí)的“產(chǎn)學(xué)研” 合作新模式；提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量和科技創(chuàng)新能力；超薄金屬構(gòu)件激光微焊接關(guān)鍵技術(shù)也已在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、空間展開機(jī)構(gòu)的制造中應(yīng)用，在醫(yī)療器械等其他領(lǐng)域同樣展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。