設計完成近40年以來，F-14的全電子束焊接WCS結構可以說仍是最先進的批生產焊件之一。

? ? ? ?如果不是身處上世紀60年代冷戰高峰，Michael Pelehach這位在紐約貝斯佩奇的格魯曼宇航集團工作的高級飛機設計師，才不會去設想一種戰斗機，不僅能對抗米格-17和米格-19現有威脅，還能壓制其后的兩代蘇制戰斗機。Pelehach出生在蘇聯，十歲左右隨父母移民美國，作為這個年紀從蘇聯離開的人，他能以蘇聯的思維方式去了解對方的設計理念。之后他成為了一名飛機設計師，最終的研究成果就是VFX，也就是F-14的前身。

F-14雄貓

1970年12月21日F-14原型機首飛，3個月后，筆者作為一名材料/工藝工程師加入了格魯曼公司。從1972年10月開始，478架F-14A陸續交付海軍，到1974年9月正式成為艦隊的一部分進行部署。F-14A后來被改進為F-14B，后者使用F110-GE-400發動機替代了普惠TF-30，并于1987年11月開始部署。F-14D這種大幅改進的型號也于1988年投產，它在雷達、航電設備和導彈方面進行了升級。最終F-14的生產數量超過600架，2006年7月，最后一架F-14飛離航母，同年9月也就是服役35年之后“雄貓”最終退役，上述經歷展現了這種世界上最強大戰斗機的傳奇一生。

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? ? ? 戰機配備

F-14“雄貓”是雙發雙座雙垂尾的變后掠翼艦載超音速戰斗機，可在夜間和各種氣候條件下攻擊并摧毀目標。它的任務包括防空、截擊、攻擊和偵察，憑借先進的武器系統可同時跟蹤24個目標并使用AIM-54“不死鳥”導彈攻擊其中6個。武器裝備還包括其他類型的導彈和炸彈，以及20mm口徑的M61A1加特林機炮。

結構設計

“雄貓”的上單翼可在飛行中自動調整后掠角度，并提供手動操作模式。機翼安裝在橫貫飛機主結構的機翼承載貫穿結構（WCS）上，該貫穿結構有22英尺（6.7米）長、約3英尺（1米）寬，高度大約是14至15英寸（0.35-0.4米）。它由33個精密加工的鈦合金部件（鍛件和板材）組成，需要進行70多次獨立的電子束焊接，焊接總長度達1800英寸（46米）。WCS的重量約為2200磅（1000千克），僅相當于高強度全鋼結構的60%重量，而且比使用螺栓連接組裝的全鈦合金結構輕200磅（約100千克）。機翼后掠角的正常調節范圍是20-68度，并且提供一個75度的機庫停放后掠角，機翼后掠角變化速度約為7.5度每秒。

WCS的結構需求和功能要求

如果要問一架飛機的支柱結構是什么？那對于F-14來講，毫無疑問的就是WCS了。WCS的主要功能是使機翼從一個幾乎平直的后掠狀態（后掠角20度）變化到和三角翼（后掠角68度）類似的后掠狀態，而這種變化是通過機翼兩側WCS末端的轉軸/軸承部件完成的。由于空氣動力和結構上的要求，樞軸結構的中線必須精確定位，22英尺（6.7米）的部件上其樞軸到樞軸間的公差小于0.005英寸（0.125毫米）。除了為機翼提供樞軸外，正如它的名字所說，WCS還承受機翼載荷并貫穿機身。

但僅為變后掠翼超音速戰機提供安裝結構是不夠的，WCS同時也提供了下面的功能：

?作為前機身的連接點（機頭和雙人座艙部分）。

?通過主艙壁把主起落架的載荷傳輸到尾部的封閉橫梁。

?通過一個艙壁承載發動機的推力，對于F-14A來說大約是41800磅（18810千克），而對于F-14B/D來說則是54000磅（25300千克）。

?作為著艦鉤結構的一部分，承載著艦時的驚人載荷。

?同時作為飛機的一個主油箱。

顯然WCS是F-14最關鍵的飛行結構，如發生惡性故障將會造成飛機墜毀。F-14是第一個以斷裂韌性標準（fracture toughness criteria）設計的軍用飛機（至少對于美國海軍來說是如此），在設計之初時某些關鍵飛行結構（如重負荷的艙壁、橫梁、桁架等）就必須容忍或存在一些小的缺陷（如裂紋，鍛造褶皺或在鑄造或焊接中產生的氣孔）。在利用新興的斷裂力學理論后，零件上因制造或其他原因出現的缺陷在小于一定程度時，亦可正常使用而無需維修或報廢。但對于當時的工業界來說，這種做法還屬未知數，把這個新標準使用在飛機制造中的新材料（鈦合金）上，并作為主結構焊接的標準，用“非常大膽”來形容已經遠遠不夠了。但事實上這么做的結果比預期的還要好很多。

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WCS的基本幾何結構

F-14的機翼承載貫穿結構（WCS）或機翼中央段基本上是一個海鷗翼狀整體盒形結構，兩側點對點中線帶有上反角，基本樣式如上圖所示。在圖中我們可以看到，外側樞軸盤包含了U型樞軸接頭，用于與變后掠翼根部的上下匹配接頭對接。機翼根部的上下匹配接頭通過大型精密配合（Precision-fit）插銷精確裝配在U型樞軸接頭之間。

機翼中央段被一些人稱作“翼盒”，當然這不是格魯曼內部最常用的叫法，這個簡單（和恰當）名字的由來可以看機翼中段線圖。整個結構就是一個盒子，包括前/后部封閉橫梁、上/下板以及樞軸結構末端。我們也可以看到一些附加的貫穿前后的腹板和肋板，一個在中線處，對應上反角交匯處，另兩個在樞軸結構末端內側。

我們同樣可以在圖中看到關于翼盒的一些重要設計，上/下板內側的凹陷部分使其以最小的重量提供了結構所需的強度，特別是結構剛性。眾多的開口允許你觸及成品結構的內部，可通過手孔（hand-holes，指一種足夠使用手操作的開口）擰緊板。前后封閉橫梁上突出的耳片用于連接其他附屬結構（如艙壁、起落架等）。

機翼中央段的所有零件的毛壞都是軋件（翼盒上反部分的上/下板）或鍛件（上/下板、前/后封閉梁/腹板結構、樞軸盤），這些鍛造產品提供了最大的斷裂韌性。通過廣泛使用數控銑床（CNC）對毛壞進行精加工，以達到所需的精度并減少重量。WCS的某些部件也使用了化學銑削工藝，尤其是上/下板，以減少不必要的材料和重量。

精密加工部件的厚度從0.5英寸（12.7毫米）（如腹板、承力肋板、封閉梁結構），到2英寸（50毫米）之間。F-14WCS成功的關鍵，就是把這些部件組裝成整體翼盒時使用了電子束焊接工藝。

焊接還是不焊接？

在F-14之前的其它飛機，包括軍用和商用飛機都一直在使用機翼承載貫穿結構，那究竟是什么使F-14的WCS這么獨特呢？

首先，F-14的WCS完全由退火狀態的Ti-6Al-4V制造，這是這種有趣合金第一次大量使用在航空器中（當時大多數設計師和制造商都不知道高度=機密的SR-71間諜飛機已經大量使用了鈦合金）。是什么使鈦合金具有如此大的魅力呢？一般來說是因為它的高強度和低密度，尤其相對其他金屬來說鈦合金還有著很優秀的強度/重量比。Ti-6-4在一些指標上與高強度低合金鋼（HSLA）相比，優勢也非常明顯。

其次也是關鍵的一點，WCS使用了焊接而不是螺栓的方式制造，創造出了一個在重量和結構上都很高效的整體結構。雖然焊接工藝能顯著降低重量，非常具有吸引力，但此前飛機的關鍵結構卻從未使用焊接工藝，尤其是在機翼承載貫穿結構中，造成這種情況原因在于：

（1）熔融部分和熱影響區域的金屬性能會退化。

（2）變形和殘余應力導致必須使用高容限結構。

（3）焊接缺陷（如裂紋、氣孔、雜質等）帶來的風險。

對于飛機的關鍵結構來說，上面任何一點都很讓人在意，而且在焊接過程中這些缺陷經常會同時發生。

?其次，在WCS（以及其他主要結構）的設計過程中使用了斷裂韌性標準，也就是容許一些缺陷的存在，而不是假定結構是完美無缺的。當這種缺陷低于一定程度時部件就可以被接受，因為在結構應力超過臨界值之前，它們并不會對結構穩定性造成影響。從另一個角度來看，這也取決于不同材料的固有特性，不同材料的應力強度臨界值由其斷裂韌性（KIC）值給出。

毫無疑問，斷裂韌性標準的意義是深遠的，允許工程師在設計和制造過程中將一些不確定的因素或缺陷包含進去。這的確是一個大膽的開端，設計師在過去總是在飛機關鍵結構中避免使用焊接工藝，他們都有過因為焊接失敗或一些無法查明的缺陷導致的糟糕經歷。當然，容許缺陷的做法可能不會讓每一個設計師都放心（人人都知道這一點），但這可以說服他們在F-14上使用焊接工藝去組裝包括WCS在內的關鍵結構。

選擇電子束焊接的原因

? ? ? ?F-14WCS選擇了電子束焊接是因為電子束焊接有著很多的優點，這包括：

? ? ? ?（1）作為一個需要在狹小空間中使用高能量密度去焊接的方式，電子束能夠在高速下（對于2英寸厚的來說焊接速度大約是12至50英寸每分鐘，相當于0.3至1.27米每分鐘；對于0.5英寸厚度來說焊接速度大約是2英寸每秒，相當于3米每分），在厚度超過2英寸（50毫米）的Ti-6-4金屬上焊接時僅需單道焊（single-passwelds），能盡可能減少熔融和有害熱效應帶來的問題。（譯者注：焊接較厚的部件時，因為焊接深度的原因，傳統的電弧焊需要在對接部位的兩側焊接，這樣對接部位的兩側就都有焊縫，single-passwelds意味著只需要焊其中一側）

? ? ? ?（2）在穿透（keyhole）焊接處理中，電子束焊接可以達到很高的深/寬比，這可以使像鈦這樣的金屬在冷卻時收縮得更小，在熱影響區域里更少的不均勻收縮將會帶來更多精度上的提高。

? ? ? ?（3）相比電弧焊工藝，高能量密度意味著使用更少的能量去融化更小的區域，這樣意味著更小的焊接熱影響區域，對材料微觀結構及性能造成更少的不利影響。除此之外，電子束焊接的冷卻更為迅速。

? ? ? ?（4）電子束焊接是在高度真空這類帶保護和清潔特性的環境下進行的，高度真空屏蔽了空氣中的氧、氮、水蒸汽對鈦合金造成的不利影響。

? ? ? ?（5）電子束焊接使用一個由熟練操作人員和計算機高度控制的無塵室環境，結果就是非凡的品質。

因此簡單來講，相比其他焊接方式，電子束焊接有著深度熔透、單道焊、高速度、大尺寸、高精度、低變形度和極小破壞的特性，對很多金屬及合金有著良好的適應性，而鈦合金被證明是最適合于此種方式的。

電子束焊接在大尺寸結構中面對的挑戰

盡管電子束焊接有著很大的優點，但在應用過程中也面臨很多挑戰及自身的不足。其中最明顯的就是焊接必須在高度真空（10^-3至10^-5個大氣壓，取決于焊接的金屬種類）的環境中進行，在10^-5大氣壓環境下焊接由鈦合金組成的WCS或更大的結構始終是一個巨大的挑戰。芝加哥橋梁/鋼鐵公司（ChicagoBridge&Iron）專門設計了兩個10*11*13英尺（長寬高，約3*3.4*4米）尺寸的鋼室，這些鋼室的兩側都有一個大型的全高/全寬門，使用精密導軌運送鋼室內外的各種部件，一個可移動的滑車可以裝載需要焊接的部件出/入鋼室。

能夠產生一個足夠容納WCS的真空室的方式只有一個，那就是大型機械真空泵（mechanical“roughing”pumps），它能迅速的將室內的壓力降低到10^-2至10^-3個大氣壓。然后再使用大型的擴散泵（diffusionpumps）將壓力降低到所需要的10^-5個大氣壓范圍，整個過程大約需要25到30分鐘。

在WCS的電子束焊接過程中，在無塵室內維持恒定溫度和濕度是非常有必要的，因為焊接部件必須盡可能的干凈。所以，在這些區域內不準吃食物、飲料，也不能吸煙，每個進入該區域的人都必須清理自己的鞋子，以防裝配過程中產生的碎片進入。對經過清洗（脫脂和酸/堿性噴淋）的待焊接部件的任何操作都必須帶著干凈的亞麻手套進行，工具也要清洗后才能被帶入該區域。

最后，除了在真空室和抽氣設備上的巨額投入外，我們還在高壓、高穩定性的電子束焊槍（西亞基52KV/1000mA）進行了投資，結合數控系統后可以進行全自動焊接。當然我們還需要熟練的操作人員、隨叫隨到的技術支持工程師以及特別檢測人員和設備。他們都以斷裂韌性標準來進行工作，必須知道焊接缺陷具體有多少、是什么類型、在什么地方發生。因此，每一個焊接部位都必須進行100%的目視檢測、尺寸檢測、熒光滲透檢測、X射線檢測以及浸泡超聲波檢測，每一個WCS都按照飛機編號保存了所有的檢測記錄。

制造WCS

F-14的成功依賴于以鈦合金組成的WCS的設計和制造，使用電子束焊接構建機翼承載貫穿結構是唯一的方式。沒有其他制造工藝可以在保持深度熔透、單道焊、高幾何精度和結構完整性的同時顯著降低結構重量，同時還要有著工程、制造和質量上的保證。這些成功保證了在后來生產了超過700個WCS。

從中間向外側焊接

為實現WCS所需的嚴格尺寸公差，尤其是在22英尺部件上樞軸到樞軸之間那小于0.005英寸的精度，由電子束焊接在一起的33個精密加工零共使用了77次深度熔透、單焊縫的工序。WCS首先被焊接成開放的盒形狀態，當整個組件從樞軸盤到樞軸盤都被組裝完成后，就開始焊接頂部板和樞軸盤了，這一過程遵循從中間向外側焊接的原則，這種方法允許在裝配的各階段調整尺寸上的偏差。一旦翼盒中央左側和右側（包括把前/后封閉橫梁用電子束焊接到下板和中部腹板或肋板結構上）被電子束焊接到一起后，再在焊縫頂部0.180英寸和根部0.100英寸位置使用熔透方式焊接約2.15英寸（54.6毫米）厚。這種狹窄焊縫的收縮率最?。ú⑶沂蔷鶆虻?，因為和大多數熔融焊接類似，焊縫是平行而不是梯形的）。兩個中間對接部位末端將會在對接線被加工成所需精度。至于外側的左/右開放段（不包括樞軸盤部分）將會和中間段焊接到一起。然后，端板會以正確的方式焊接并進行機械加工以對齊對接線。最后樞軸盤被焊接在端板上，其軸孔必須很精確地定位。各處理工序結合起來帶來了極小的收縮率，然后通過機械加工達到所需的尺寸和公差精度。

定位和設計焊點

任何人都知道使用焊接工藝來組裝關鍵結構時，焊縫需要被適當定位、設計和布置在結構內（如在厚的、低應力部分或中軸線的任何彎曲部分等），它們將優化結構的性能，促進焊接及之后的檢查。對于F-14的WCS來講，應用到了下面的一些技術：

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?所有焊縫都經過了定位和設計成直線或方形以完全焊透且緊密貼合（經過精密加工后），這有助于減少“釘尖缺陷”。通常會輔以在根部進行熔融鎖孔焊接以便允許使用X射線進行檢查。

?為了避免產生初始和結束缺陷，這種缺陷存在與絕大多數焊接過程中，但在高能量密度的鎖孔焊接會尤為嚴重。無論是整體焊接還是點焊都會使用啟動和停止跳格，這會取消后續焊接，產生的缺陷也會通過機械加工的方式被移除。

?允許使用完全熔透焊接，一些焊縫需要被偏移成90度角。

?為了防止多余能量從焊接位的后面溢出，一個由Ti-6-4合金制成的消耗板材將被用于所有的完全熔透焊接過程。（譯者注：就是在進行熔透焊接時，部件焊縫的另一面會專門背上一塊鈦合金板，專門吸收多余的能量）。

?局部熔透的區域將被鉆孔以消除任何已發生的釘尖缺陷，然后插入過盈配合的Multiphase35銷釘，這些插銷產生的壓縮殘余應力間改善區域的耐疲勞特性，在熱處理工作完成之前不安裝這些銷釘。

?所有的焊縫（包括頂部和根部）都會高出平面0.100英寸（0.25mm），以獲得更大的焊接面和更低的焊接難度。

確保結構性能

合理設計，包括合理布置焊接點位置是確保結構性能的關鍵，但設計師也對制造過程進行了一些細化，如：

?所有焊縫的頂部和根部都被加工平齊以提供相同的疲勞特性。一般來說接頭厚度的輕微變化，尤其是精心處理過的焊縫是可接受的，但對于疲勞臨界結構設計的WCS來說，所有（焊接）的頂部和根部都必須用機械加工的方式使其平整光滑。

?WCS會在組裝的幾個階段里進行熱處理以消除應力，使用光/酸清洗（混合鹽酸和氫氟酸）去除alpha層上的任何痕跡。

?所有的焊接區域（包括周邊凸起的部位）將進行表面噴丸處理（shotpeened）以減少壓縮殘余應力，提高疲勞強度。顯然，必須要在消除所有應力的熱處理完成之后才能這么做，才不會消除噴丸產生的應力。

確保焊接質量

在格魯曼公司，人們意識到質量控制必須在設計和生產之初就實施，并貫穿整個制造過程并結合嚴格的過程控制和檢查。為確保正確完成WCS的電子束焊接，使用了下列技術：

?為防止Ti-6Al-4V的交叉污染，所有的焊接夾具都用Ti-6Al-4V制造。事實證明這項措施是非常有必要的，因為從夾具或止動桿上飛濺的火花、安裝不當的橫梁、簡單的劃傷都會造成交叉污染。

?為確保又深又窄的電子束焊接時其焊縫接觸面被正確的對齊，使用了證示線（witnessline）。這一系列畫在金屬表面的平行線距每側預焊接面0.15英寸（3.8毫米），間隔0.015英寸（0.38毫米）。通過清點焊縫（頂部和根部）每側可間線條數目，就能確定接觸面是否被正確對齊，以及焊縫頭尾具有足夠寬度。

?為避免表面缺陷、降低疲勞強度，整個翼盒尤其是焊縫都要進行熒光滲透檢查。

?為確保焊縫沒有缺陷（裂紋、氣孔、空洞、接縫錯位、釘尖缺陷），所有焊縫都必須100%的使用。

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