给焊接技术“加码”为航空航天装备“减重”—— 南昌航空大学陈玉华教授团队创新成果纪实

◎ 文/李云山

提到焊接，许多人脑海中首先浮现的可能是一幅火花飞溅、烟雾呛鼻，以及电弧旁焊接工人在高温下挥汗如雨忙碌的画面。

其实，时至今日焊接早已远非这么简单。被称为“工业缝纫机”的焊接，简单来说是将两个零件连接成一个整体结构的制造技术。如今，小到制作一枚集成电路芯片、大到建造一艘航空母舰，都离不开焊接。

2006 年，博士毕业的陈玉华教授进入南昌航空大学焊接工程系执教。2007 年，在他晋升为焊接工程系副主任的同一年，他瞄准超薄结构在航空航天结构上的需求，启动了“超薄金属构件激光微焊接关键技术及应用”的科项目研究。项目从基础研究到产业化推广，前后历时十年有余，先后发明了超薄壁构件焊接质量控制技术及装备、高温合金“活性剂-激光”微连接新技术和控制超薄记忆合金与钛合金异种材料激光微焊接接头裂纹等方法，取得了显著的社会经济效益。

“从应用角度来讲，这项研究主要是帮航空航天装备‘减重’，助力中国航空航天事业飞得更高、更远。”陈玉华说。

助力结构减重

高端装备制造是我国七大战略性新兴产业之一，而在高端装备制造的细分领域中，航空航天装备被列在了首位。

如今，绿色轻量化正成为航空航天装备发展的重要方向。以飞行器为例，它的“减重”，不仅能提升自身“升限”（爬高能力上限），还可显著降低成本，“事实上，减重在航空航天领域占据着举足轻重的地位。” 陈玉华说。而要实现飞行器的减重，除了采用新型材料及改型材料外，另一个主要途径就是优化结构设计，包括采用超薄金属构件（厚度小于0.5mm）。

“随着航空航天装备对结构减重的需求越来越强烈，不少零部件的壁厚正变得越来越薄。又由于壁厚小于0.5mm 的结构对焊接技术的要求与常规厚度零件的要求有很大不同，焊接难度大、焊接质量难以保证，因此必须对焊接技术进行创新。” 陈玉华说。

南昌航空大学焊接专业有着悠久的历史，其专业水平在国内同类院校中长期名列前茅，因而自觉承担起了这一新形势下的使命任务。

协同创新攻关

自2007 年开始，陈玉华与团队紧紧围绕产业发展的技术需求，从主动控制焊接质量的理念出发，借力与上海航天设备制造总厂有限公司、中国航发南方工业有限公司等企业间的产学研合作，在有关科研项目的支持下，开展了长期的焊接技术创新与产业化应用。

——发明超薄壁构件焊接质量控制技术及装备。超薄壁金属构件的焊接，极小的错边量就会极大的影响焊接质量，同时，壁厚薄易产生较大的焊接变形，且容易被烧穿，导致焊接质量难以控制。针对这些难题，陈玉华与团队对焊接时产生错边、烧穿及变形的原因进行了深入研究，在此基础上推出了相关的控制技术，发明了一种超薄壁筒形构件随焊柔性焊接夹具装置，进而很好地攻克了传统焊接错边、烧穿、变形等难题，实现了厚度为0.2mm 的超薄构件的高质量焊接。

“这项技术目前已在航空发动机某环形零件的焊接制造中应用，不仅提高了产品合格率和焊接质量，降低了成本，还成功替代进口产品，突破了国外技术封锁。” 陈玉华说。

——发明超薄形状记忆合金与钛合金异种材料激光微焊接裂纹控制技术。焊接裂纹是焊接件中最常见的一种严重缺陷。如今，形状记忆合金与钛合金的连接结构在航空航天等领域应用越来越广泛。然而，传统焊接技术在焊接这两种金属材料时，其焊接接头常会产生大量的裂纹，严重影响结构质量。通过研究，陈玉华等人发现，采用熔化焊等传统焊接方法，焊缝熔合线附近会产生大量的Ti2Ni 脆性金属间化合物，这是导致裂纹产生的诱因。之后他们尝试添加填充材料来抑制裂纹的形成，同时对焊接工艺进行优化，最终成功突破了裂纹控制技术难题，获得了无缺陷的焊接接头。

除此之外，他们还通过设计、制造专用整体保护装置，加强了焊接过程中的气体保护，提高了焊接质量；根据焊接接头弯曲性能测试的需要，发明了超薄壁焊接接头专用小半径弯曲性能测试装置；还基于相关理论研究结果，发明了一种超薄NiTiNb 宽滞形状记忆合金与钛合金异种金属连接方法……目前该技术已在大型空间展开机构的研发上开展应用。

——成功研制高温合金用激光焊活性剂，发明薄壁构件“活性剂-激光”微连接新技术。激光焊接技术具有可焊各种金属材料、焊接速度快、焊缝深宽比大、焊接变形小、易于实现柔性自动化等特点，被认为是21 世纪最有发展潜力的高能束流焊机技术之一，广泛应用于航空航天制造业。可是，采用大功率激光进行焊接时，由于热输入量大、易产生烧穿；采用低功率脉冲激光时，能量较高时熔池金属汽化严重，会导致焊缝区材料厚度减薄，焊接接头的抗拉强度和弯曲强度受到损害，而降低能量又会出现未焊透缺陷。

因此迫切需要开发新的焊接技术。

“激光焊接尽管比较优势明显，可大多数金属材料对激光的反射率很高，如果不对其表面进行特殊处理，激光焊接将可能会失去优势。” 陈玉华说，活性剂焊接技术适时进入了科学家们的视野。

在此背景下，陈玉华与团队自主研制了一种可改善焊缝成形、增加焊接熔深用于高温合金激光焊的活性剂，发明了高温合金“活性剂-激光” 微连接新技术，最终实现了较低能量下的深熔焊接，避免了焊接能量过高时被焊材料的严重汽化和能量过低时产生未焊透缺陷对焊接接头抗拉强度、弯曲强度和韧性的损害，获得了优质焊接接头，焊接接头强度和母材等强。

该技术填补了高温合金激光焊接活性剂领域的技术空白。

“超薄金属构件激光微焊接关键技术及应用” 项目的开展，收获了丰硕的成果。共获得10 项发明专利、6项实用新型专利授权，出版学术专著1 部，发表学术论文68 篇。产业化应用稳步推进，核心技术与装备先后在上海航天设备制造总厂有限公司等合作单位应用，并在北京宝航新材料有限公司、江西汇思成科技有限公司等单位推广，技术成熟、重现性好，生产运行稳定。2018 年8 月3 日，由中国有色金属工业协会组织的项目成果评价，其鉴定结果为：项目技术创新性强，整体技术达到国际先进水平。

逐梦焊接强国

1979 年出生的陈玉华今年步入了不惑之年。回首在南昌航空大学度过的这十几年时光，他几乎每天工作14个小时以上，经常忙到晚上十点才回家，并放弃了大部分的节假日和休息时间。2011 年1 月起担任焊接工程系主任后，他更是将焊接专业发展与人才培养放在了首位。

“焊接是装备制造业中应用最广的共性关键技术，中国已是名副其实的世界最大焊接大国，但还不是焊接强国。我们的许多关键焊接材料、设备尚且依赖进口，总体研发、创新水平和速度也都不高。响应国家战略需要，促进焊接专业发展，是每个昌航焊接人的责任！” 陈玉华说。

南昌航空大学焊接工程系在科研、教学以及师资等方面均有较好的基础，教育质量保住全国前三的排名是他们长期努力的方向。作为2010年江西省高校骨干教师的陈玉华，一直致力于打造一支“焊接技术与工程专业教学团队” 的“国家队”。

做研究，他们坚持“顶天立地”。一方面积极致力于基础研究，另一方面积极与产业界密切合作推动成果应用。在此过程中，他们创建了高效务实的“产学研” 合作新模式；提高了人才培养质量和科技创新能力；超薄金属构件激光微焊接关键技术也已在航空航天发动机、空间展开机构的制造中应用，在医疗器械等其他领域同样展现了广阔的应用前景。