电子束焊接技术在航天领域中应用

发布时间:2017-09-18 08:54:44
宇航技术中所用的各类火箭、卫星、飞船、星球车、空间站以及太阳能电站等,它们的结构件、发动机,以及所用的各种仪器等都有一些共同特点,不仅要求零部件质量极为可靠,能经受各种恶劣环境,如强力振动,因日照变化引起的高低温度交替冲击,失重,宇宙线幅射,超高真空环境中运作;而且要求零件尺寸小,重量轻,气密性好。因此,对宇航零部件的结构设计、材料选择及加工工艺都提出了极为苛刻的要求,实践证明为了满足上述特点,电子束焊接技术是必不可少的强有力的工具之一。这是因为电子束焊接技术有以下一些特点:
(1)电子束焊接能量密度很高(106W/cm2),对于任何材料,包括高熔点钨、钼等材料,其焊缝都能快速熔化。一般不用焊条,靠零件自身材料熔接而成。
(2)电子束焊接在真空中进行,可防止材料氧化及其它有害气体侵入。利用熔池与真空气氛的压差,有利于焊缝熔化金属中所含气体排出,减少焊缝气孔,增加气密性,提高焊缝强度都有好处。
(3)电子束焊接不仅能量密度高,而且因其特殊焊接机理可以获得很大的焊缝深宽比,焊缝又深又窄,因而焊接零件变形小。对于较厚零件,采用100kW电子束焊机一次可焊透钢200mm,采用普通焊接方法就需多次填充,会造成零件较大变形。
(4)焊接两种物理性质差异大(如热传导或热容量)的材料所构成的零件时,两种材料可同时瞬间熔化再快速凝固,如铜与钢,极薄的零件与厚零件的焊接都可实现。
(5)电子束可以聚得很细,偏转方便,所以可焊很精细零件。可焊难以达到的焊接点,因此对特殊结构,和特别精细的零件用电子束焊接是非常适宜的。
(6)能量密度高,焊接速度快,热影响区范围很小,不会对临近半导体器件或其它热敏器件产生不良影响。
以下我们略举几种电子束焊接在宇宙航行中应用事例。
即将建设的空间站以及正在规划的太阳能电站,这些都需要用航天飞机,或运载火箭分成小块运送到空间,再装配而成,采用铆接和螺栓联接会大大增加结构重量,使用电子束焊接是最理想的,无需焊条,不会额外增加结构重量。在宇宙空间采用电子束焊另一优点是无需真空系统,大大简化了焊接设备。
图1所示为美国六十年代研制成的宇宙空间用电子束焊机,为阿波罗登月舱维修用,这是因登月舱在着落月球表面时,万一不慎冲击力过大而将腿折断,无法起飞返回地球,经详细分析,论证并经科学实验确认电子束焊接是最理想的并付之实现。未来的空间站及太阳能电站长年累月地在空间飞行,面积又大,难免受到陨石冲击而损坏,同样需要用电子束焊机来修补。
图1 宇宙空间电子束焊机
宇宙航行用各类器具其零部件焊接除一小部分需在宇宙空间完成焊接作业外(如上述),大多数零部件可在地面完成。由于电子束焊接杰出的焊接性能,以及宇宙器具的特殊要求,故采用电子束焊接的零部件的品种、数量繁多,以下仅选取一些典型焊接例子。
现代化飞航和星际站要为人类提供居住的气氛,飞船和星际站内部充以成分与压力相当于地球大气的气体,由于不可避免存在着泄漏,就需从地球补送气体。很明显飞行器漏气量越大,其补充量越大,给宇船带来很大负担。宇宙空间是超高真空,对飞行器的气密性要求更高。如已使用过的双子星座(飞船内乘二人来往于地球与月球间),其气氛维持不到二周,如果乘员增加,或航程变长,尤其是在远离地球,空气无法得到补充的情况下,就会带来严重问题。因此对宇宙飞行器的气密性提出了非常严格的要求,形成气体泄漏有几种因素,但飞行器焊接质量是因素之一,经试验证实电子束焊接可获得最小泄漏量。
美国阿波罗的载人登月舱,其采用的是可调节液体火箭发动机,该发动机的质量关系到宇航员生命安全,要求焊接绝不能有缺陷,电子束焊接能满足其要求,该发动机共有64种零件采用电子束焊,其中流量控制由阀及其岐管组成,90%用电子束焊。其材料为321~347不锈钢、6061铝合金、17~4、17~7、PH不锈钢和6A1~4V钛,还有一些执行元件,测试基准和指令控制盒等,因电子束焊可输入很小能量、变形很小又不会损坏焊接件中封存的电子元件和传感器件。宇航用短时小型推力器如图2所示:在外壳①中封存炸药②、其喷口③是用0.05mm304不锈钢薄膜④封住,当炸药引燃后,高压气体冲破该膜而产生推力。要求①③④零件一次焊牢,由于结构需要,焊缝离炸药仅1mm,在焊接封装时炸药表面温度不能超过150℃,否则会引燃炸药,只有用电子束焊接并严格控制其参数才能达到其要求。
图2 宇宙飞行器助推器
空间飞行器的推进器中有不少零部件因其结构与材料很特殊,采用电子束焊成功地解决了其疑难问题。如有的星际飞行器,其推进器用的是电火箭,其发射体使水银或铯汽化并游离,其离子在加速极电势作用下,从其表面拉出并加速到一定速度,形成所需推力,发射体的表面积越大,其游离量越大,效率越高,多孔钨是最佳选择。多孔钨还需与支撑件钨块用电子束焊牢成一体,而该钨支撑件又必须与钽盒焊牢,但钽与钨直接熔焊,其合金变脆,而以钛为中间介质用电子束钎焊,而获得无裂纹焊接。
钛合金有高的强质比,是宇航用重要结构材料。用氩弧焊,延性差,很脆,而用电子束焊,共焊接质量好得多,如焊过5A1,2.5Sn;4A1,3Mo,1V;6A1,4V;13.5V,11Cr,3A1等,用电子束焊这些钛合金焊缝强度能达到基材的等强度,其冲击强度甚至比基材还高。铍合金具有更高的强质比,阿波罗飞船门的框架构件就用铍合金,采用电子束焊接而成。图3所示导弹壳体采用非真空电子束焊示意图:
图3 非真空电子束焊导弹壳体示意图
工具钢、热加工模具钢(5%Cr,0.4%C)适合于某些导弹和空间飞行器骨架用材,因价格较钛合金低得多而具有竞争力,其极限强度为300,000psi,用局部电子束热处理可以改善其特性。耐熔金属如钨、钼、钽、铌等在宇航中应用面比较广,但有强烈吸气性和脆性倾向,采用常规电弧焊质量难以保证,而电子束焊接在真空中进行,可以避免其吸气,减少脆性,增加它们的它们的延性和耐冲击强度。焊钽与钼材料,其焊缝强度可与基材相当。
有些零件的不同部位,将处在不同气氛(如高或低温,腐蚀与否;粉尘状态等)和不同工作状态(如负载大小与性质差别,热传导的不同,硬度与耐磨要求等)下运行,用一种材料要满足不同部件的不同要求,有时得放弃合理结构如改变结构、增加零件尺寸、重量、加工工序。电子束的优越特性可很好地解决大多数异种金属间的焊接难题,来满足零件的理想结构。在宇航加工工艺中还会遇到一些非金属材料如陶瓷、石墨、玻璃的焊接,或这些材料与高熔点金属之间焊接难题,电子束焊接可顺利解决。这些非金属材料与非高熔点金属之间熔焊技术尚未解决,但用电子束钎焊可解决这一难题,因高真空条件下用电子束蒸镀钛到零件表面,能起到润湿作用,使钎焊料很易漫延而达到优质钎焊。电子束焊接能解决大多数异种材料焊接难题,这样制造出来的零件其尺寸小,重量轻,性能好。
2 宇航用电子束焊机特殊要求
宇航零部件所用电子束焊接设备,大致分为两大类,一类是常规的电子束焊机。用来焊接可以在地面装配的零部件,这一类机器与普通电子束焊机相同,不再另述。另一类是空间所用电子束焊机,美国与前苏联都已研制成功,因其必须运到空间去进行焊接操作,故须适应空间特殊环境。
(1)重量轻、体积小。这是最关键指标之一。因为它靠火箭发射到空间,在空间宇航员还需背负整套设备进行焊接操作。尽管无需真空系统,但高压整流电源及电子枪等仍不可缺少,还需要有电池,美国研制登月用的电子束焊机,在地球上整机重量为150公斤,在月球上仅为26公斤。
(2)要对宇宙辐射线进行仔细防护。由于宇宙空间没有大气防护,宇宙线的辐射非常强烈,它会对一些器件,尤其是半导体器件及绝缘材料起破坏作用,使一些零部件失灵,必须采取保护措施。
(3)需考虑失重状态对各种零部件功能影响。
(4)宇宙空间是超高真空(<10-12Pa),其零部件必须适应该气氛中工作。
(5)设备所用材料与元件,要经得起空间温度交变的影响(从-150 到+250 )。
宇宙航行用电子束焊机,美国与前苏联都研制出类型相似的焊机。主机有新型空间用电池,为焊机提供能源,采用逆变器将电池供给的直流电转变为高频电,再经变压器升压与整流,转变为20~30kV直流高压供给电子枪。后者高压档次亦曾经过深入实验研究,加速电压高了(80kV)虽然其聚焦性能好,但设备体积大,份量重,机动性差,X射线防护复杂,不便宇宙空间使用;电压在15kV以下就不必采用X射线防护,缺点是熔化深度与工作距离关系密切,电压越低影响越明显,在宇宙空间维修时主要靠手焊,将不可避免的会抖动,由此引起的工作距离变化将带来熔深、熔宽的显著变化,影响焊接质量,因此宇航用电子枪加速电压不希望低于20kV。美国研制登月修补用电子束焊机电子枪其功率为1.5kW,高压为20kV,枪的尺寸(不包括把手)长250mm,直径75mm,带把手重为4.35公斤(地面)。
在宇宙空间进行焊接,因失重对焊缝成型机理是否会发生根本变化,能否顺利进行焊接,美、苏二国在早期(还没有飞船时)曾利用飞机造成失重状态进行工艺研究,每次试验能维持25秒钟,焊接结果其焊缝形状和熔化量与通常有重力条件下是一样,仅在焊一些个别材料如AMT6出现一些大的气孔,这是由于在超高真空条件下更易将把熔化金属区内气体析出所致,像铝合金AMT6易蒸发性材料较易引起气孔。虽然在宇宙空间焊接并未遇到原估计那么多的困难,但对焊接操作、参数规范等还需进行严格控制。
要想在宇航技术中充分发挥电子束焊接这一先进技术,一方面要研制适用于宇宙空间用的先进的电子束焊接装置,另一方面要深入研究在宇航特殊气氛中的焊接工艺。
空间科学技术,包括载人飞船已列入我国科研规划,宇航用电子束焊接技术是必不可少的,具有三十多年该方面科学技术积累的我国科技工作者,一定能配合好总体计划,完成历史赋于他们的使命。

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浙江省永康市加效焊接自动化设备有限公司

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