製造飛機為何不能用一點焊接?

提到了飛機蒙皮使用鉚釘鉚接一事,雖然看了兩張美國F-35組裝的照片證明了現在的航空強國-美國一樣是使用鉚釘鉚接飛機蒙皮製造飛機,但是還是覺得有必要專門就這個問題開一個貼。貼前先說明,本人並非航空專業,但是卻是機械工程專業,航空飛機制造專業和機械工程還是有很多地方是相通的。

普通飛機蒙皮採用2024鋁合金製作,有特殊要求的採用鋼板,比如說前蘇聯高空高速攔截機米格-25/31,由於該飛機為雙三(飛行高度三萬米,最高時速為3馬赫)飛機,飛行器在稠密大氣中作超音速飛行時,受激波與機體間高溫壓縮氣體的加熱和機體表面與空氣強烈摩擦的影響,飛行器蒙皮的溫度會隨M數的提高而急劇上升。飛行M數為2.0時,機頭處的溫度略超過100℃。而當M數等於3.0時,飛行器表面的溫度則升至350℃左右,已超過了鋁合金的極限溫度,使其強度大大削弱。換用另一種飛機可以使用的合金-鈦合金?那東西不但極其昂貴且極難加工,而且蘇聯不是美國,能耐高溫的鉚釘等連結材料當時根本沒有。蘇聯人選擇了最堅固,最堅硬,耐腐蝕而又耐高溫的鋼材!

純粹的機械連接無非就是螺紋連接,焊接,鉚接,粘接,鍵連接,至於什麼V帶,同步帶,滾子鏈連接,齒輪連接還要起到傳遞動力的作用,而飛機不會採用那些帶動力傳遞的連接方式。下面就讓我們來分析一下螺紋那些連接方式

螺紋連接在這裡就把它簡化為螺釘螺栓連接,螺釘明顯是不合適的,根據國家標準,螺釘連接要求兩個連接物一樣要比較厚,而飛機蒙皮是薄鋁板,根本就不符合螺釘的要求,只有螺栓連接還能滿足這個要求,但是螺栓連接卻有另外的問題,

根據飛機的需要,飛機上需要有數量以千計算的連接孔,如果每個孔配一個螺栓,那麼就還要再配一個螺母,而飛機大家都知道,在發動機功率和氣動佈局一定的情況下,飛機結構重量佔飛機起飛重量的比例越少越好,而螺母明顯就是飛機結構重量的一部分,數量以千計算的螺母重量可是不輕。可問題並沒有到此中止,螺母是會自行鬆動的,它不會鬆動你怎麼把它拆下來呢?因此在機械行業裡螺母是需要緊定的,螺母的緊定方式無非就是那些加一個螺母對頂,加彈簧墊圈或者開口銷,在螺桿上塗膠,這些辦法都不是什麼好辦法,一個很大的缺點就是它們進一步增加了螺母所帶來的重量,而且應付飛機所要應對的環境時效果並不會很好,特別是跨音速,飛機的振動是比較厲害的,此外飛機發動機的振動也是不可小看的,哪個飛行員也不想自己在飛行的時候由於連接飛機外蒙皮的螺母鬆動導致自己飛機在空中掉下幾個部件甚至空中解體的事情出現吧,而日常飛機維護保養檢查的時候,螺母鬆動這種事情又很難被預先發現。因此螺紋連接對飛機來說不是好辦法。

有人會說這個不行可以採用焊接賽,比如造船就是大量使用焊接船板的辦法,造船是可以只用焊接,因為焊接屬於一種密封連接,對在水裡航行的船舶特別是對潛艇來說,焊接質量的好壞決定了船舶和操作它們的人的生死。但是對於飛機來說就是另外一回事了。

焊接具備連接性能好,耐高溫高壓,耐低溫,密封性能好,比如說核電站的鍋爐就只有焊接方式才能製造,此外還具備節省結構重量,工藝簡單等諸多優點,但是它的缺點同樣很顯著,焊接接頭的組織和性能往往會變壞,焊縫會產生殘餘應力和焊接變形,會產生焊接缺陷,比如說裂紋,夾渣,未焊透,氣孔等,這些問題會降低承載能力,縮短使用壽命,甚至會造成缺陷。這些是怎麼產生的呢

由於焊接是局部受熱,加熱區的熱金屬要受到周圍未加熱的冷金屬的拘束,不能自由膨脹,冷卻的時候一樣,不能自由收縮,這樣一來部分加熱區的金屬就會受壓應力和拉應力產生殘餘應力,由於無法自由膨脹和收縮,就會產生變形。同時在焊接的時候,空氣中的氧原子,氫原子和氮原子會在焊縫裡形成氣孔,還會使材料的強度,塑性和韌性大大下降,而著名的氫脆也會在這時產生,這些問題和其它一些問題會使焊縫產生裂縫甚至會出現突發性,事前無明顯預兆的斷裂。而飛機的振動將會使這些問題出現的時間大大提前。

飛機上不大量使用焊接工藝還有一個問題,是關於材料的,前面說過,飛機蒙皮材料主要用鋁合金,而鋁合金化學性質比較活躍,容易和空中的氧形成一種學名叫三氧化二鋁的薄膜覆蓋在合金表面,此薄膜熔點遠高於鋁的熔點,會阻礙熔合,同時容易產生夾渣,而且鋁在液態的時候會溶解大量氫氣,在冷卻的時候這些氫氣不僅會產生氫脆,還會產生大量氣孔,這都是焊接大忌,因此焊接鋁合金的時候需要使用惰性氣體進行保護。這無疑增加了加工的成本。

將飛機蒙皮焊接在一起的焊縫斷裂了那飛機在空中的命運也就可想而知了。

當然有人會說可以使用熱處理對付應力這些東西,同時加上其他預防手段。沒錯,熱處理裡是有一個去應力退火的工藝,可是去應力退火是需要有一個專門的退火爐,將需要退火的金屬構件進行加熱,加熱到規定溫度後然後隨爐緩慢降溫,而飛機能為它建立一個退火爐嗎?而且飛機大小有別,這退火爐的大小肯定也不能一樣,一般金屬構件退火的時間長達幾個小時甚至十幾個小時,在戰時誰能忍受這種拖延,並且問題的關鍵就是即使進行退火處理,也不能保證效果的。

以上這些方式相比起鉚接來,鉚接工藝相當成熟,在鉚接時由於對鉚釘的敲擊,鉚釘會產生變形從而很好的將兩個連接面結合在一起。由於鉚釘徑向的變形也可以將鉚釘孔填滿,防止縫隙產生。

此外軍用飛機比起民用飛機來,軍用飛機的結構比同等民用飛機複雜、零部件多,同時由於戰損率高而導致維護量大。使用大量鉚接(飛機蒙皮)主要是便於拆解維護、局部更換受損件,提高飛機出勤率,飛機不可能作為一次性產品使用的。而民航飛機、運輸機有大量的維修空間,蒙皮就可以很大。因此民用飛機上可以使用什麼整體壁板而軍用機上卻從來沒有這東西。

當然大量使用鉚接只限於飛機蒙皮機構,而飛機其他結構部分還是使用其他方式的多,比如說起落架焊接工藝就使用的相當的多。

看看美國F-35的生產過程,它表面上的圓孔是什麼

製造飛機為何不能用一點焊接?

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