飞机金属零件焊接及增材制造修复研究与应用现状 杨爱民 秦仁耀 张国栋Summary：金属零件的修复技术是飞机维修的核心技术，其发展关乎我国航空维修水平与能力的提高针对飞机领域涉及的金属零件修复技术，包括鎢极氩弧焊、等离子弧焊、搅拌摩擦焊等焊接修复技术和激光直接沉积、电子束熔丝沉积、冷喷涂等增材制造修复技术，分析其工艺特点、优势，梳理其技术研究和工程应用现状指出了国内外航空修复技术研究与应用存在的差距，并对该领域未来的发展趋势、研究方向和重点做出了研判Key：航空维修;飞机;金属零件;焊接修复;增材制造修复0 前言飞机、现代铁道车辆等承载结构在制造和服役过程中产生的缺欠和伤损，会降低结构的承载能力和服役寿命对经安全评估后不可接受的缺欠和伤损（即缺陷）进行修复，是提升结构寿命和减低成本的重要手段和途径之一，近年来得到工业界的广泛重视[1]其中，航空修理是指飞机及航空发动机在服役期间的维护及定期修理，以确保航空飞行的安全可靠[2]飞机在起降与飞行过程中经受复杂的拉压弯扭及振动和冲击载荷，承受大气腐蚀、沙尘等环境的侵蚀作用，其金属零件会发生磨损、腐蚀甚至裂纹等损伤在日常检修和周期性维修过程中，对损伤严重但尚未达到报废要求的金属零件进行可靠、及时和成本可控的修复，对于保障飞机运行的安全性、经济性，以及保障任务执行和出勤率，具有重要的作用和意义[3-4]。
飞机金属零件的修复是航空维修的核心技术，是各国竞相发展的维修保障技术随着飞机设计、材料和制造技术的发展，现有的维修技术越来越难以满足先进飞机安全、可靠、经济运行的需求[5]因此，发展和掌握飞机起落架、框梁等承力关重件和传动器、齿轮箱等复杂零件的修复技术，是提高飞机自主维修能力、保障航空安全运行、保障军队战斗能力的内在要求，也是控制航空运行成本和加快形成国内航空维修产业化能力、降低民航国外送修率的客观需求目前在飞机修理领域，以钨极氩弧焊为代表的焊接修复技术和以激光直接沉积为代表的增材制造修复技术共存互补，各有所长和适用场合增材制造在维修领域的应用包括两个方面，一是可作为再制造技术用于航空零件损伤的修复，二是可用于维修所需备件的增材制造文中仅涉及零件损伤的增材制造修复，即损伤零件的再制造1 飞机金属零件修复技术种类与特点1.1 焊接修复飞机零件主要损伤形式有磨损、裂纹、腐蚀和加工缺陷根据零件、材料、缺陷类型的不同，采用不同的焊接方法进行修复[6]，常用的焊接方法主要有焊条电弧焊、氩弧焊、等离子弧焊、激光焊、电子束焊等，近年来单面电阻点焊、搅拌摩擦焊等修复新方法开始出现不同焊接修复方法的优缺点及应用领域如表1所示。
1）焊条电弧焊修复焊条电弧焊修复是采用药皮焊条对部件损伤进行补焊，主要用于结构钢、不锈钢、镍基合金类材料部件的修复，优点是操作简单、可达性好、成本低一代、二代等早期飞机零件多采用该方法修复，目前应用较少2）钨极氩弧焊修复钨极氩弧焊修复主要采用手工焊方式，是目前最常用的焊接修复方法其特点是操作灵活方便、适用范围广、修复成本低其不足是：大面积修复时的热应力和变形较大;用于焊接性差的材料，如碳含量高的高强度钢等材料修复时容易产生裂纹3）等离子弧焊修复与氩弧焊相比，等离子弧焊能量密度高、热输入小、焊接变形小、产生裂纹倾向性小，多用于复杂结构局部磨损部位的自动堆焊修复4）激光焊修复激光焊修复的主要方式是激光焊接补片，即利用激光焊接将补片或补块焊接到零件受损部位进行重建，然后再按零件形状要求进行修磨主要优点是能量密度更高、焊接热输入更小、热影响区小和焊接变形小5）电子束焊修复电子束焊修复的特点与激光焊相似，主要采用焊接补片的形式，适用于补焊规则的焊缝一般需要对待补焊部位进行标准形状加工，再进行补片焊接6）电阻点焊修复电阻点焊最适合用于飞机零件损伤修复的方式是单面点焊其基本原理是：由焊件的一侧施加电极压力，通过点焊机向焊接区输送焊接电流，对焊件接触面通电加热，利用塑变能和热能激活接触点的原子，形成熔核、实现连接。
单面点焊操作方便、受结构限制少，适合于飞机结构裂纹、缺口、破孔和刚度失稳等损伤的原位快速修复[7]7）搅拌摩擦焊修复搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，焊接过程中材料只是软化而非熔化，软化的组织不受重力影响，因而可用于免拆卸修理和原位修理，提高修理效率适用于飞机机体构件裂纹、破孔、缺口、断裂等损伤的修理[8-9]1.2 增材制造修复由于在维修过程中发生变形、开裂或热损伤而造成零件报废，或者由于修复后使用寿命缩短，许多零件不能用现有焊接技术维修此外，维修效率低、沉积成形差、后续加工量大也是制约焊接修复技术应用的因素[10]在这种情况下，增材制造技术为航空维修和大修提供了新颖独特的解决方案该技术适用的材料更为广泛，能够维修可焊性差的材料，具有自动化程度高、热应力小、变形小等优点[5]目前适用于飞机金属零件修复的增材制造技术主要有激光直接沉积、电子束熔丝增材制造、电弧增材制造[11]冷喷涂作为一种更广义的增材制造工艺，在飞机修复领域也极具应用前景1）激光直接沉积修复采用激光熔敷技术可以避免普通焊接维修带来的很多问题，但是仍然存在生产效率低、表面质量差、报废率高和后续加工困难等一系列问题激光直接沉积是激光熔覆技术的进一步发展。
激光直接沉积修复技术以金属粉末为材料，在CAD/CAM软件支持下，NC控制激光头、送粉喷嘴和工作台按指定空间轨迹运动，依据缺陷几何形状，在待修复部位逐层成形，最后生成与缺陷部位近形的三维实体，完成对损伤零件的几何形状和力学性能的恢复[12]激光直接沉积修复是目前应用最广的增材制造修复技术，其优点有：a.高能密度激光作为能量源，热输入小，零件修复区域的热影响区小，因而应力及变形小b.零件基体和激光修复区界面处为致密的冶金结合，不会出现脱落、剥离等问题c.激光修复区的力学性能良好d.激光修复区形状和零件缺损形状接近，表面质量好，修复后仅需少量的处理即可使用e.修复过程可由计算机控制，无需人为干涉，修复可靠性高、重复性好，可修复形状复杂零件修复步骤包括修复前准备（损伤部位信息采集、加工和清理）、修复、修复后处理（修复部位机械加工及热处理）2）电子束熔丝增材制造修复电子束熔丝增材制造在真空室内进行，用于重要钛合金零件的修复，有利于保证零件性能3）电弧增材制造修复电弧增材制造技术可采用非熔化极和熔化极惰性气体保护焊、熔化极活性气体保护电弧焊以及冷金属过渡焊方法其中冷金属过渡焊更适合用于修复该技术通过数字化协调熔滴过渡和送丝运动，实现数控方式下的短电弧和焊丝的换向送丝监控。
熔滴过渡时电弧熄灭，焊接电流降低为0，从而大大降低焊接热输入，实现无焊渣飞溅，而且电弧更加稳定此外，微束等离子弧增材制造也可归类于电弧增材制造范畴，用于修复时多采用送丝模式该技术以小电流（通常小于30 A）的等离子弧为热源，通过熔丝方式在工件表面以拟定的路径实现逐层材料的堆积[13]其具有自动化程度高、型面近净成形、力学性能高等独特的优点4）冷喷涂增材制造修复冷喷涂增材制造是一种基于高速粒子固态沉积的涂层制造方法，修复的零件表面温度低、变形小特别适用于温度敏感材料（Al、Cu、Mg）合金的零件修复在航空维修领域应用前景广泛，配合便携式喷涂设备，可实现失效零件的现场快速修复5）微弧沉积与激光熔覆复合修复技术微弧沉积与激光熔覆复合修复技术是利用微弧沉积和激光熔覆交替在损伤零件表面形成冶金修复层的再制造技术其具有热影响区极小（0.1～0.2 mm），熔覆層与基体金属为冶金结合等特点[14]主要用于超高强度结构钢等飞机关键重要受力构件的表面损伤修复2 国外飞机零件修复技术研究与应用2.1 焊接修复钨极氩弧焊修复技术在国外飞机维修领域已获得了成熟应用英国空中客车公司对在役商用客机的机翼蒙皮结构的搅拌摩擦焊修理进行了研究[15]。
文献[8-9]指出，采用搅拌摩擦焊修理机翼裂纹能消除高应力集中，使蒙皮表面需要的首次安全检验时间推迟3.5 倍，并减少了随后的检验次数对框、肋裂纹进行搅拌摩擦焊修理时，搅拌头沿裂纹方向进行焊接，如图1 所示，即可消除裂纹，并且基本达到等强度修理的性能指标与铆接加强片修理方案比较，搅拌摩擦焊提高了修理速度和修理质量，而且不会增加额外的修理重量搅拌摩擦焊用于蒙皮破孔修理时，先将破孔切割成规则形状，再对切割孔和补片边缘进行机械加工，使边缘成一定互补的角度，再进行搅拌摩擦焊接，如图2所示不仅可满足飞机结构强度要求，而且不改变气动性能对于位于翼梁、翼肋等飞机骨架构件上的缺口损伤，采用搅拌摩擦焊技术修理时，仅需对腹板作局部更换，然后操纵搅拌头沿新腹板和原腹板连接处进行移动焊接，即可完成修理2.2 增材制造修复随着增材制造技术的发展，高附加值、修复性能要求高的飞机零件更多地采用增材制造技术修复[16-17]美国AeroMet公司率先将激光直接沉积应用于飞机修复，使F15战斗机中机翼梁的检修周期缩短为1周[12]美国宾州大学研制出便携式1 800 W Nd：YAG激光修复设备，利用光纤与机器人结合的系统对海军舰艇与飞机进行现场原位激光直接沉积修复。
2000年，美国陆军研究实验室（ARL）开始开展冷喷涂修理技术在航空领域中的应用研究，涉及B-1轰炸机、F-18战斗机、“ 黑鹰 ”直升机和“ 海鹰 ”直升机的冷喷涂修理工作目前，该中心应用冷喷涂修理军机的成功实践经验已经被移植至民用领域[18]穆格（Moog）公司采用钛、不锈钢、铜和其他原料粉末对机轮、机身板类件等进行冷喷涂修理美国Villafauerte等人采用冷喷涂技术修复飞机铝-镁合金零件的腐蚀区域美国Champagne等人采用冷喷涂Al涂层，对飞机传动器和齿轮箱的镁合金外壳进行修复，修复件服役超过7 000 h而未见明显腐蚀该技术的推广有望减少40%的零件更换FAA目前批准的冷喷涂维修技术应用范围限于变速箱或壳体等附件Airborne维修工程公司（AMES）正致力于向FAA证明冷喷涂技术可应用于机体结构件AMES首先选择次级结构件进行修理验证，如蒙皮面板、空气负载拱肋和波音767的机轮等结构件为降低成本和提高环保性， AMES率先在军机的冷喷涂修理中以氮气替代氦气，目前还在试图获得民航维修领域的应用许可2.3 修复结构完整性和寿命评估现代修复技术从技术上需要考虑结构失效部位是否修复完全、修复过程中的焊接缺陷以及修复后的性能能否达到工作要求等问题，因此应将焊接修复的完整性评定作为修复系统工程的一部分进行配套解决。
根据国外已经比较成熟的技术标准，金属结构焊接修复完整性评定工作应包含失效分析、断裂性能测试和寿命预测等方面[19]零件修复后重新投入使用，由于补修技术、操作技术和实施工艺参数等不尽相同，尤其是补修后局部材料性能随着服役时间的延长会有所变化，需要对补修后部件的材料性能、服役寿命的演化关系及相应的检查监控方法开展深入探索[1]补焊区域的高温热效应会改变补修区域的材料组织和力学性能，形成一定程度的应力集中，引入复杂的残余应力场（拉伸应力会促进裂纹萌生和扩展），因此焊后通常要采取局部热处理和冲击处理等措施以均匀化近焊缝区的微观组织，提高其材料性能热等静压可以有效消除内部疏松、缩孔和裂纹等缺陷，同时具有均匀化组织和残余应力的作用，主要适用于零件内部缺陷的补修[20]，在增材制造零件完整性评价中也得到了广泛应用[21-22]目前，飞机结构疲劳寿命的计算方法通常采用应力寿命和损伤容限分析方法[23]通过对不同种类的军用飞机进行机身结构疲劳试验，Molent等得出。