金屬材料結(jié)構(gòu)主要連接形式
金屬的連接方式按連接后是否可以拆卸可以劃分為兩大類(lèi),即可卸連接和不可卸連接,其具體主要包括螺栓連接、鉚釘連接、黏接和焊接等四種。其中,螺栓連接為可卸連接,其余三種均為不可卸連接,而螺栓連接和鉚接又稱(chēng)為機(jī)械連接。
焊接特點(diǎn)及主要缺陷
目前主要焊接方法有電阻焊、釬焊、電子束焊、激光焊以及摩擦焊接等多種工藝,各種工藝具體成型效果(焊縫強(qiáng)度、表面質(zhì)量和變形、焊接缺陷等)和效率存在差異,但在總體上具備下列特征:
主要特點(diǎn):
1. 連接性能好,可以方便地將板材、型材或鑄鍛件進(jìn)行組合焊接,有利于制造大型結(jié)構(gòu)件,同時(shí),焊接還可以將不同形狀及尺寸甚至不同材料連接起來(lái),從而達(dá)到降低重量,節(jié)約材料的目的;
2. 焊接結(jié)構(gòu)剛度大,整體性好,同時(shí)又容易保證氣密性及水密性,所以特別適合制造高強(qiáng)度、大剛度的中空結(jié)構(gòu);
3. 焊接生產(chǎn)可適應(yīng)不同要求及批量的生產(chǎn),另外由于焊接規(guī)范參數(shù)的電信號(hào)容易控制,容易實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化,因此在汽車(chē)制造業(yè)中點(diǎn)焊機(jī)械手、弧焊機(jī)器人得到了廣泛應(yīng)用。
主要缺陷:
然而,除了以上優(yōu)勢(shì)或特點(diǎn)外,焊接工藝也普遍存在各種缺陷如:氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋、凹坑、咬邊、焊瘤等,而這些加工缺陷對(duì)主要以疲勞耐久性和損傷容限性能作為設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)是致命的和無(wú)法容忍的。幾種典型的焊接缺陷如下圖所示:
機(jī)械連接特點(diǎn)
航空用機(jī)械連接主要包括鉚接和螺栓連接。在螺栓連接中,又以大量采用特殊的高鎖螺栓而著稱(chēng)。高鎖螺栓是利用螺栓的過(guò)盈量與螺母造成干涉配合和較高預(yù)緊力的組合作用來(lái)提高接頭疲勞強(qiáng)度的一種螺栓。安裝時(shí)螺栓從孔的一側(cè)插入,在另一側(cè)擰緊套環(huán),當(dāng)達(dá)到一定擰緊力矩后,套環(huán)從凹槽部位斷裂,安裝方便快捷。
鉚接連接主要特點(diǎn):
1. 鉚接連接強(qiáng)度較高,緊密性好,在承受沖擊載荷時(shí)較為可靠,不易松動(dòng);
2. 適用于對(duì)厚度較薄的被連接件進(jìn)行連接,連接變形小,對(duì)連接環(huán)境要求低;
3. 鉚接連接成本較低,效率較高、噪音小、操作簡(jiǎn)單。
焊接尚未大量應(yīng)用原因
飛機(jī)服役場(chǎng)景要求:
飛機(jī)尤其是民用客機(jī)在一個(gè)完整的飛機(jī)過(guò)程中,需要承受地空地循環(huán)、機(jī)動(dòng)、突風(fēng)、滑行、座艙增卸壓等多種疲勞載荷,而在全壽命周期服役中則需往復(fù)承受上萬(wàn)次上述疲勞載荷。飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)往往較薄,常見(jiàn)金屬蒙皮在2mm左右,焊接難度大,螺栓連接不適用于過(guò)薄的被連接件,鉚接連接則較為合適。同時(shí),焊縫區(qū)域強(qiáng)度較被焊接材料強(qiáng)度較低,而焊接工藝常見(jiàn)缺陷導(dǎo)致被連接結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞載荷極為敏感,極易造成初始缺陷在疲勞載荷作用下萌生裂紋,進(jìn)而裂紋快速擴(kuò)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效,無(wú)法滿(mǎn)足損傷容限設(shè)計(jì)要求,甚至造成空中解體等嚴(yán)重的安全事故。而配合鉚接結(jié)構(gòu),機(jī)身蒙皮止裂帶的運(yùn)用對(duì)于降低蒙皮應(yīng)力水平,提高抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力,保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的破損-安全特性十分有效。
飛機(jī)材料體系要求:
當(dāng)前飛機(jī)金屬蒙皮壁板結(jié)構(gòu)大量采用2XXX系鋁合金,該系鋁合金可焊接性能較差,而較為先進(jìn)的飛機(jī)則大量采用復(fù)合材料作為機(jī)身蒙皮材料,由于復(fù)合材料不能進(jìn)行焊接連接,往往需要采用與金屬結(jié)構(gòu)混雜連接的方式。因此,從結(jié)構(gòu)選材角度,焊接方式也難以應(yīng)用。
飛機(jī)可維修性要求:
無(wú)論軍機(jī)或民用客機(jī)都需要進(jìn)行定期維護(hù)和檢修,這其中包括對(duì)蒙皮包裹的機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)備進(jìn)行檢修,飛機(jī)蒙皮本身在飛行中也極易遭受鳥(niǎo)撞、砂石飛濺等造成的表面沖擊損傷,而焊接結(jié)構(gòu)屬于不可卸連接,不便于對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆卸、檢修、維修和更換。
與之相對(duì),鉚接工藝對(duì)以上要求均可滿(mǎn)足,疊加航空領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的自動(dòng)鉆鉚工藝,極大的提高了鉚接工藝質(zhì)量穩(wěn)定性和加工效率,直接導(dǎo)致了該工藝的大量采用。
結(jié)語(yǔ)
飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要為“減輕每一克重量而奮斗”,因此對(duì)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重的新技術(shù)、新工藝和新方法需要持續(xù)進(jìn)行探索,無(wú)論對(duì)于復(fù)合材料或是金屬材料整體化結(jié)構(gòu)和一體化制造都將成為有效的減重途徑。目前,空客和波音公司已探索對(duì)部分壁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接連接并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)嘗試,從而通過(guò)減少機(jī)械連接緊固件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重。未來(lái),國(guó)產(chǎn)民機(jī)也許可以在部分以靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)上先行進(jìn)行焊接工藝的探索。然而,任何先進(jìn)的設(shè)計(jì)和技術(shù)改進(jìn)的前提一定是保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全,這一點(diǎn)是毋庸置疑的。
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