你是否曾细致观察过飞机外壳的细节?当你仔细观察时,你会发现其蒙皮上布满了许多铆钉。
——飞机蒙皮上密密麻麻的铆钉——
你或许好奇,为何飞机选择使用铆接而非焊接?这背后涉及到其制造材料、工作特性和铆接的独特之处。
一、制造材料
在波音787和空客A350XWB问世之前,铝合金是现代飞机的主要制造材料。这种材料在焊接时面临诸多挑战:焊接区域的应力集中、金属变脆、以及可能产生的砂眼、气泡、微裂纹等缺陷,这些都使得铝合金的焊接性能表现不佳。
尽管现在有一些先进的焊接技术,如搅拌摩擦焊接和激光焊接,但这些技术实施复杂,且难以保证工艺的稳定性。尤其是对于薄型的飞机蒙皮,其厚度通常仅在2毫米左右,使得焊接工作难上加难。
对于以复合材料为主的波音787和空客A350XWB机体,这些复合材料是由多种单一材料通过复合方法制成,其焊接难度更甚于铝合金。制造商更倾向于采用非焊接的连接方式。
二、工作特性
当飞机在高空以高速飞行时,其机身蒙皮承受着强大的拉力。发动机的振动以及飞机自身的振动,加上飞行中不断变化的力,都可能导致机身出现疲劳问题。拉力、振动和疲劳都是导致焊接性能退化的主要因素。
——铆接的工作原理——
在这样持续的工作环境中,焊接处可能逐渐出现细小裂纹。更令人担忧的是,这些裂纹会沿着焊缝扩展,甚至可能导致飞机在空中,造成灾难性的后果。相比之下,铆接和螺接具有出色的抗振动、抗疲劳特性,且由于存在连接孔,它们天然地具有防止裂纹扩大的能力。
三、使用与维修
飞机的使用寿命通常超过20年,机体内布满了复杂而精密的仪器。在长期使用过程中,各部件可能出现不同程度的损坏。采用铆接方式便于维修和更换部件。
若采用焊接,当需要更换飞机的蒙皮时,这将大大增加维修成本和难度。即使没有设备故障,也需要定期对飞机进行检查和维护。而焊接是一种不可拆卸的连接方式,一旦需要拆开检查,就会其结构。
四、航天器与飞机的连接差异
尽管焊接在速度和密封性方面具有优势,并在航天、船舶和汽车制造中广泛应用,但在航空器中,其使用需考虑工作环境和使用寿命。
在航空器中,主要关注的是密封性和工作环境。例如,进入宇宙中的航天器在真空环境中运行时,无需过多考虑大气层的摩擦力和声音传播。多数航天飞行器在使用几次后即被废弃,因此不必过分关注其使用寿命和部件更换。这也解释了为何在航空器中更倾向于使用焊接。
这并不意味着焊接在飞机制造中毫无用处。例如,前苏联的MIG25“狐蝠”战斗机就采用了不锈钢焊接技术来制造其机体部分,这使其达到了最大飞行速度3M的惊人性能。