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铝合金焊接工艺 21 世纪航天工业铝合金焊接工艺技术展望摘要: 简要回顾了航天工业铝合金焊接技术的发展, 并对国内外铝合金在航天器上的应用情况进行了综述和分析。介绍了铝合金焊接技术的最新发展和应用前景, 其中包括变极性等离子焊、局部真空电子束焊、气脉冲焊接技术、搅拌摩擦焊、焊接修复技术以及焊接工艺裕度和焊接结构安全评定技术。关键词:铝合金;焊接;航天 1前言铝合金不但具有高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀稳定性, 同时还具有良好的成形工艺性和良好的焊接性, 因此成为在航天工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。例如, 铝合金是运载火箭及各种航天器的主要结构材料。美国的阿波罗飞船的指挥舱、登月舱, 航天飞机氢氧推进剂贮箱、乘务员舱等也都采用了铝合金作为结构材料。我国研制的各种大型运载火箭亦广泛选用了铝合金作为主要结构材料。航天工业铝合金焊接技术的发展和应用与材料的发展有着密切的联系, 本文将简要回顾航天工业铝合金焊接技术的发展并介绍几种极有应用前景的铝合金焊接工艺技术。 2 铝合金焊接技术的发展 LD10CS 铝合金焊接回顾早期的一些导弹和远程运载火箭的推进剂贮箱结构材料主要采用 Al Mg 系列合金, 特别是退火和半冷作硬化状态的 LF3 、 LF6 防锈铝的应用最为普遍。这两种铝合金都具有优良的焊接性能〔 1 〕。随着航天技术的发展, 运载火箭的推进剂贮箱结构材料, 从使用非热处理强化的防锈铝,转变到使用可热处理强化的高强度铝合金。 LD10CS 合金已在多种大型运载火箭和固体导弹上获得成功的应用。由于它的超低温性能较好, 因此在三子级的液氢、液氧推进剂贮箱上也获得了应用。需要指出的是 LD10 合金的焊接性能较差,焊接时形成热裂纹的倾向较大, 对焊接过程中的各种因素也比较敏感, 焊接接头的断裂韧度较低, 特别是当焊缝部位存在焊接缺陷时, 液压强度试验时试验件经常发生低压爆破。 20 世纪 70 年代,在研制 LD10 合金火箭推进剂贮箱初期,在焊接工艺方面曾遇到了极大的困难。在“三结合”攻关中发明的“两面三层焊”工艺( 正面打底、盖面, 背面清根封焊) 使焊接接头性能达到了设计要求。在 LD10 焊接生产实践中总结得出:如果焊接接头区的延伸率不小于 3% ,则焊接接头的塑性可以满足使用要求。在此后的许多年中,一直以“延伸率不小于 3%”作为一个重要的验收指标。几十年来,焊接工艺主要是氩弧焊( TIG ),包括手工氩弧焊和自动氩弧焊。从焊接工艺方面看, 为了减少焊接结构的焊接残余应力和变形, 通常在焊接工艺选择上都尽量减少焊接热输入量。特别是对于热处理强化铝合金, 由于焊接热过程的作用, 在焊接热影响区存在软化区,塑性较好,强度较低。焊接接头强度系数为 ~ 。为什么 LD10CS 贮箱采用两面三层焊工艺?理论分析和实践结果表明,若不采用此焊接方法,就会造成 LD10CS 铝合金焊接接头塑性较差, 且焊缝背面焊趾处易出现裂纹。两面三层焊时, 清根和封底焊可消除此种裂纹。同时由于热输入量较大, 热影响区发生不同程度的退火或过时效, 使硬度降低, 塑性提高, 焊接拉伸试样断裂的位置是焊接软化区。这样在结构中, 焊接接头在复杂的应力状态下以软化区的塑性和变形补偿了熔合区塑性的不足。但贮箱焊缝补焊后, 有时仍发生低压爆破。由于两面焊的特殊要求, 限制了自动焊及焊接新技术( 如真空电子束焊、变极性等离子焊等) 的应用。这是因为, 氩弧焊焊接热输入量比高能束的真空电子束焊要大, 同时考虑到焊接接头的结构承载适应能力, 难以应用焊接热输入较为集中的焊接新技术, 制约了焊接新技术的应用。在焊接生产中, 铝合金焊缝内常见的缺陷为焊缝气孔。氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因。基体金属中含氢量、焊丝及基体金属表面氧化膜吸附的水分以及弧柱气氛中的水分都是焊缝气孔中氢的重要来源。航天焊接工作者经过不懈的攻关和努力保证了航天焊接产品的交付和发射成功。但是, 由于诸多因素和条件的限制, 在生产中个别贮箱仍存在气孔超差。在焊接材料方面, 国外使用的是焊接专用板材, 基体金属的氢含量小于2× 10-7 。而国内铝合金板材制造技术条件中尚无对氢含量的要求。 铝合金 2219 和铝锂合金焊接概述 2219 高强铝合金的突出特点是焊接性能好,从-253 ℃到+200 ℃均具有良好的力学性能、抗应力腐蚀性能,对焊接热裂纹的敏感性较低, 焊接接头塑性及低温韧性较好。在美国已作为推进剂贮箱的主要结构材料,美国土星Ⅴ号Ⅰ级贮箱等均采用了 2219 铝合金。前苏联在能源号和暴风雪号航天飞机均大量采用了 1201 ( 相当于 2219 ) 铝合金。国内研制的 S147 铝合金与 2219 铝合金相类似, 生成焊接裂纹的倾向性较低,