铝合金焊接工艺技术展望模板.doc

铝合金焊接工艺技术展望摘要 简明回顾了航天工业铝合金焊接技术发展，并对中国外铝合金在航天器上应用情况进行了综述和分析。介绍了铝合金焊接技术最新发展和应用前景，其中包含变极性等离子焊、局部真空电子束焊、气脉冲焊接技术、搅拌摩擦焊、焊接修复技术和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。Prospects for Welding Technology of Aluminum Alloy in Aerospace Industry in 21st CenturyLiu Zhihua Zhao Bing Zhao Qing(Beijing Institute of Material and Technology,Beijing ,100076)Abstract The development of welding technology of aluminum alloy in aerospace industry is reviewed and the application of aluminum alloy in spacecrafts is summarized and analysed in this paper. The uptodate development and application prospect of welding technologies of aluminum alloy are introduced. These welding technologies include variable polarity plasma welding, local vacuum electronic beam welding, air pulse welding, stirring friction welding, welding reparing technique, and the evaluation techniques of welding technological margin and welded construction safety.Key Words Aluminum alloy, Welding, Aerospace.1 前 言铝合金不仅含有高比强度、比模量、断裂韧度、疲惫强度和耐腐蚀稳定性，同时还含有良好成形工艺性和良好焊接性，所以成为在航天工业中应用最广泛一类有色金属结构材料。比如，铝合金是运载火箭及多种航天器关键结构材料。美国阿波罗飞船指挥舱、登月舱，航天飞机氢氧推进剂贮箱、乘务员舱等也全部采取了铝合金作为结构材料。中国研制多种大型运载火箭亦广泛选择了铝合金作为关键结构材料。航天工业铝合金焊接技术发展和应用和材料发展有着亲密联络，本文将简明回顾航天工业铝合金焊接技术发展并介绍多个极有应用前景铝合金焊接工艺技术。2 铝合金焊接技术发展2.1 LD10CS铝合金焊接回顾早期部分导弹和远程运载火箭推进剂贮箱结构材料关键采取AlMg系列合金，尤其是退火和半冷作硬化状态LF3、LF6防锈铝应用最为普遍。这两种铝合金全部含有优良焊接性能1。伴随航天技术发展，运载火箭推进剂贮箱结构材料，从使用非热处理强化防锈铝，转变到使用可热处理强化高强度铝合金。LD10CS合金已在多个大型运载火箭和固体导弹上取得成功应用。因为它超低温性能很好，所以在三子级液氢、液氧推进剂贮箱上也取得了应用。需要指出是LD10合金焊接性能较差，焊接时形成热裂纹倾向较大，对焊接过程中多种原因也比较敏感，焊接接头断裂韧度较低，尤其是当焊缝部位存在焊接缺点时，液压强度试验时试验件常常发生低压爆破。20世纪70年代，在研制LD10合金火箭推进剂贮箱早期，在焊接工艺方面曾碰到了极大困难。在“三结合”攻关中发明“两面三层焊”工艺（正面打底、盖面，后面清根封焊）使焊接接头性能达成了设计要求。在LD10焊接生产实践中总结得出：假如焊接接头区延伸率大于3%，则焊接接头塑性能够满足使用要求。在以后很多年中，一直以“延伸率大于3%”作为一个关键验收指标。几十年来，焊接工艺关键是氩弧焊（TIG），包含手工氩弧焊和自动氩弧焊。从焊接工艺方面看，为了降低焊接结构焊接残余应力和变形，通常在焊接工艺选择上全部尽可能降低焊接热输入量。尤其是对于热处理强化铝合金，因为焊接热过程作用，在焊接热影响区存在软化区，塑性很好，强度较低。焊接接头强度系数为0.50.7。为何LD10CS贮箱采取两面三层焊工艺？理论分析和实践结果表明，若不采取此焊接方法，就会造成LD10CS铝合金焊接接头塑性较差，且焊缝后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。同时因为热输入量较大，热影响区发生不一样程度退火或过时效，使硬度降低，塑性提升，焊接拉伸试样断裂位置是焊接软化区。这么在结构中，焊接接头在复杂应力状态下以软化区塑性和变形赔偿了熔合区塑性不足。但贮箱焊缝补焊后，有时仍发生低压爆破。因为两面焊特殊要求，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）应用。这是因为，氩弧焊焊接热输入量比高能束真空电子束焊要大，同时考虑到焊接接头结构承载适应能力，难以应用焊接热输入较为集中焊接新技术，制约了焊接新技术应用。在焊接生产中，铝合金焊缝内常见缺点为焊缝气孔。氢是铝及其合金熔焊时产生气孔关键原因。基体金属中含氢量、焊丝及基体金属表面氧化膜吸附水分和弧柱气氛中水分全部是焊缝气孔中氢关键起源。航天焊接工作者经过不懈攻关和努力确保了航天焊接产品交付和发射成功。不过，因为很多原因和条件限制，在生产中部分贮箱仍存在气孔超差。在焊接材料方面，国外使用是焊接专用板材，基体金属氢含量小于210-7。而中国铝合金板材制造技术条件中尚无对氢含量要求。2.2 铝合金2219和铝锂合金焊接概述2219高强铝合金突出特点是焊接性能好，从-253到+200均含有良好力学性能、抗应力腐蚀性能，对焊接热裂纹敏感性较低，焊接接头塑性及低温韧性很好。在美国已作为推进剂贮箱关键结构材料，美国土星号级贮箱等均采取了2219铝合金。前苏联在能源号和暴风雪号航天飞机均大量采取了1201（相当于2219）铝合金。中国研制S147铝合金和2219铝合金相类似，生成焊接裂纹倾向性较低，但生成气孔敏感性较强，尤其是熔合区、密集微气孔是影响焊接接头性能关键缺点。伴随航天技术发展，对铝合金强度和减重提出了更高要求，铝锂合金在近几十年得到了迅猛发展。因为每加入1%Li，可使铝合金质量减轻3%，弹性模量提升6%，比弹性模量增加9%，这种合金和在飞机产品上普遍使用2024和7075合金相比，密度下降7%11%，弹性模量提升12%18%。前苏联1420合金和广泛使用杜拉铝(硬铝)16(2024)合金相比，密度下降12%，弹性模量提升6%8%，抗腐蚀性好，疲惫裂纹扩展速率低，强度、屈服强度和延伸率相近、焊接性很好2。前苏联航空材料研究所().等人于20世纪年代在发明了AlMgLi系1420合金很快，就对该合金焊接开展了研究。年代对该合金焊接研究已经取得了结果，她们认为这种合金氩弧焊时，可采取AM6、AM6T和1557焊丝，焊接接头强度系数达成0.7以上。焊前、焊后热处理对焊接接头强度有很大影响，淬火状态下焊接接头强度比淬火及人工时效状态焊接强度低78.5 MPa，焊后淬火及人工时效又能够使焊接接头强度系数达成0.91.0。1980年1420合金被用于制造米格-29超音速战斗机焊接机身、油箱、座舱，这使飞机重量显著降低了24%。至今，1420合金已成功使用了30多年，广泛用于军用、民用飞机和火箭上3。20世纪年代俄罗斯研制了高强度、高模量1460（AlCuLi）合金，这种合金因为加入了Sc元素强化，使晶粒和亚晶结构改变，拉伸强度提升3050 MPa，焊接性能显著改善。1460合金焊接工艺和1420合金基础相同，可采取1201（AlCuMn）合金焊丝焊接，也可在焊丝中添加钪（Sc）元素。在对多个成份比较试验后，推荐应用CB-1207或CB-1217焊丝，这种焊丝成份是在ALCu基础上添加Cu、Sc、Zr、Ti等，具体成份有待于深入了解。应用此种焊丝能够显著地降低焊缝热裂纹敏感性，氩弧焊焊接接头强度大于250 MPa，焊接接头强度系数大于0.5，焊后热处理焊接接头强度、硬度增加。48这种焊丝能够确保无裂纹和细晶粒结构接头，合理选择焊接工艺和焊前准备可得到无气孔焊接接头。美国发觉者号航天飞机外贮箱采取了2195（AlCuLiMg）高强铝锂合金，替换原来使用了2540年2219合金。新设计贮箱SLWT(Super Light Weight Tank超轻重量贮箱)，比原来贮箱减重5%，即3 405 kg，其中LH2箱减重1 907 kg、LO2箱减重736 kg，箱间段减重341 kg，其它减重422 kg。每减轻1 kg质量能够增加1 kg有效载荷，这么就增加3 405 kg有效载荷。美国总共生产120台SLWT，完成全部航天飞行计划910。2195-T8合金贮箱采取4043焊丝，变极性等离子弧焊 (VPPA)焊接。VPPA含有高电弧温度、高电弧电压和更集中热量。VPPA焊接2195-T8铝锂合金关键是焊缝后面保护，铝锂合金含有活泼Li元素，如焊接时后面保护不好，极易氧化。马歇尔飞行中心研制出长229 mm、宽25.4 mm、高152 mm不锈钢“保护盒”，“保护盒”在焊接时随焊枪行走，使焊缝区域氧气少于0.5%。另外，研制了直径51 mm、长229 mm不锈钢管装在工件后面，焊接时随焊枪移动，也可有效保护后面焊缝。假如这两种保护装置同时使用，效果愈加好。3 极具前途多个工艺技术3.1 变极性等离子弧焊接技术（VPPA）1978年，美国NASA宇航局马歇尔宇航中心决定变极性等离子弧焊技术部分替换钨极氩弧焊工艺焊接航天飞机外贮箱。航天飞机外贮箱材料为2219铝合金，共焊接了6400 m焊缝，经100% X射线检测，未发觉任何内部缺点，焊缝质量比TIG多层焊显著提升。变极性等离子焊接技术用于铝合金焊接，单道焊接铝合金厚度可达25.4 mm。其工艺特点是在焊接过程中，在焊接熔池中心存在一穿透小孔，而且在实际生产中通常采取立向上焊工艺，现有利于焊缝正面成形，又有利于熔池中氢逸出，降低气孔缺点。所以被称为“零缺点焊接”。“八五”期间，在引进国外某企业变极性等离子焊接系统基础上，进行了LF6、LD10铝合金平板（厚3 mm、6 mm、10 mm）焊接工艺试验11。“九五”期间，和哈尔滨工业大学联合开展了变极性等离子焊接技术研究，研制了变极性等离子焊接设备样机，并进行了LF6和LD10铝合金板材（厚3 mm、5 mm、12 mm）焊接工艺试验，完成了带有纵缝和环缝贮箱模拟件焊接，处理了环缝焊接时起弧打孔和收弧填孔及焊缝首尾相接难题，焊接模拟件经过了液压试验，将变极性等离子焊接技术工程应用向前推进了一大步。伴随2219铝合金和2195铝锂合金应用，在未来中厚度大型贮箱焊接生产中，变极性等离子焊接技术有着宽广应用前景。3.2 局部真空电子束焊接技术因为真空电子束焊接工艺是将被焊工件置于真空环境中进行焊接，所以能够得到优质焊缝。同时，电子束高能量密度使焊缝较窄，深宽比大，焊接应力和变形较小，在工业各领域尤其是国防工业中得到了广泛应用。但对于部分大型构件如运载火箭贮箱壳体等，假如采取真空电子束焊接工艺，则需要较大真空室，其容积可达数百立方米，这种电子束焊接设备造价很高。为了处理这一问题，国外开始设计和应用局部真空电子束焊接设备，不是将被焊工件整体放入真空室，而是在焊缝局部建立真空环境，从而完成焊接。前苏联将局部真空电子束焊接技术应用于不一样类型和尺寸火箭燃料贮箱壳体焊接，在壳体纵缝、对接环缝及法兰环缝焊接中，有7种类型焊缝（纵缝、对接环缝、法兰环缝）应用局部真空电子束焊接工艺。20世纪年代初已用于2.5 m直径壳体环缝焊接，能源号火箭贮箱纵缝采取局部真空电子束焊接工艺，壁厚为42 mm，局部密封采取磁流体密封、橡胶圈密封等技术。中国在“九五”期间，和中科院电工所合作研制了中国第1台法兰环缝局部真空电子束焊机(专利号：ZL.6)12。电子枪和上真空室采取动密封结构，工件和上、下真空室间为静密封结构。焊接时电子枪能够实现极坐标运动。电子枪径向移动采取步进电机驱动，光栅尺检测位移；圆周方向转动经过交流伺服电机驱动，光码盘检测器角位移。二次电子焊缝对中系统用于实现焊缝轨迹示教。采取两级微机控制，可编程序控制器（PLC）控制焊接参数可实现柔性焊接，即可焊接100300 mm直径法兰环缝。局部真空室真空度达成510-3Pa,高于国外同类产品水平。在未来2219铝合金和2195铝锂合金航天器厚壁结构中，尤其对于焊接残余应力和变形要求较高法兰环缝焊接生产中，局部真空电子束焊接技术应用对焊接质量提升有着极为关键意义。3.3 气脉冲TIG和MIG焊接技术在航天工业中，铝合金焊接中应用较广TIG和MIG工艺，保护气体采取氩气和氦气，其中以氩气应用较多。就TIG焊而言，有交流氩弧焊和直流正接氦弧焊两种工艺。氦（He）和氩（Ar）相比，其最小电离能高，在其它条件和参数相同时，电弧电压较高。所以，氦弧焊电弧温度高，焊接热输入量大，也含有更高能量密度，和氩弧焊相比熔深较大，焊接缺点尤其是焊接气孔较少。据资料介绍，因为直流正接氦弧焊没有交流氩弧焊阴极雾化去除氧化膜作用，氧化膜破坏程度取决于电弧长度大小，故直流正接氦弧焊采取短弧焊去除氧化膜。这么使得焊接时填丝变得较为困难，加上设备等原因制约，直流正接氦弧焊一直未大面积推广应用。为了利用氦气电弧热高优点并避免纯氦带来缺点，国外采取气脉冲Ar+He TIG和MIG焊接技术焊接铝合金，可大大降低焊接气孔。借鉴国外经验，近几年开始进行气脉冲TIG焊接技术研究，初步试验表明，采取气脉冲（Ar+He）TIG焊接工艺焊接S147铝合金抑制焊接气孔方面有显著效果。不开坡口可一次焊透7 mm平板，且表面光泽和氩弧焊相同，避免直流正接氦弧焊焊缝表面发暗。焊接工艺性、可操作性也和氩弧焊无异，弧长也无尤其限制。这对于未来型号将应用对气孔较敏感S147铝合金和2195铝锂合金有极大应用价值。3.4 搅拌摩擦焊技术宇航工业飞行器结构大量使用铝合金，因为一些材料熔焊焊接性不良不得不采取铆接结构。英国焊接研究所（TWI）1991年发明搅拌摩擦焊为这类材料连接提供了一个新思绪13。因为此方法属于固相焊，尤其适合应用于熔化焊接性差有色金属。相对于熔化焊接方法，不会产生和熔化相关焊接缺点，如热裂纹和气孔。但因为方法限制，其应用仅限于简单结构工件。搅拌摩擦焊原理是，利用摩擦发生热，在高速旋转搅拌头特形指棒周围金属快速被加热，并形成了很薄热塑性金属层。伴随搅拌头移动形成了搅拌摩擦焊焊缝。现在，已成功地进行了搅拌摩擦焊研究铝合金包含：系列（AlCu）、5000系列（AlMg）、6000系列（AlMgSi）、7000系列（AlZn）、8000系列（AlLi）。美国波普企业空间防御试验室在1998年将此技术用于火箭一些部件焊接。现在，ESAB企业正在制造可供商业应用搅拌摩擦焊机，计划于安装在TWI，用来焊接尺寸为8 m5 m工件，估计可焊接工件厚度为1.518 mm。中国一些院校和研究所也开始了这方面研究工作，有理由相信，中国最含有搅拌摩擦焊技术应用前景将是航天工业。3.5 焊接修补技术铝合金结构件焊接修补是航天器在生产和使用中不可避免地会碰到问题。在焊接生产中，因为材料、结构、设备、工艺及环境条件等方面偶然原因，在焊后会发觉焊缝中存在超出标准焊接缺点，这就需要补焊。传统手工TIG焊方法即使操作简便、易行，但因为局部焊接热输入量较大，可能产生晶粒长大，局部韧性降低，同时在补焊部位引发较大残余应力，往往成为“低压爆破”裂源。其次，未来可反复使用运载器，在反复使用后，可能在一些构件局部出现裂纹等缺点，需要进行焊接修补，此时在运载器外部覆有绝热材料，对温升有极严格要求，必需采取热输量集中而且较小焊接工艺。1995年英国剑桥焊接研究所发明摩擦塞焊技术14，洛马企业和国家宇航局马歇尔飞行中心进行了补焊工艺研究，已用于外贮箱焊接修补。这是一个新焊接修补技术，在焊缝缺点位置，钻一楔形孔，将一个和孔形状相类似楔形旋转塞插入孔内，高速旋转时完整楔形塞和孔表面摩擦生热而实现焊接。焊接参数包含塞直径、旋转速度、施加压力和塞位移。它不一样于熔焊修补，在缺点去掉之前，要反复打磨和填充，焊接修补比通常TIG熔焊修补强度高20%，改善了补焊部位力学性能，而且不易产生焊接缺点。采取这种修补工艺还可大大降低修补时间，降低成本。另外，也有些人提出激光补焊设想。铝合金激光焊难点在于铝合金对CO2激光束（波长为10.6m）极高表面初始反射率（超出90%以上），对YAG激光束（波长为1.06m）反射率靠近80%。而且，铝合金激光束还易产生气孔。这些问题全部有待于进行深入研究工作。3.6 焊接工艺和焊接结构安全评定技术因为航天产品特殊性，对产品质量和可靠性极为重视。伴随焊接技术发展，对航天产品焊接质量和可靠性不停提出新要求。在实际生产中，焊接工艺优劣不仅要看其是否能够完成所针对结构焊接，而且要看其是否含有相对稳定使焊接质量达成产品验收标准能力。“焊接性”概念回复了是否能实现焊接问题；90年代，航天焊接工作者提出“焊接工艺裕度”概念回复了一个焊接工艺是否能达成焊接质量标准问题15。换言之，“焊接工艺裕度”概念是焊接工艺评定基础。比如：可依据焊接工艺裕度评价方法对其确保焊接质量能力进行评定，分为“合格工艺”、“限用工艺”和“禁用工艺”等。当然，对某一特定工艺进行评定，仍需进行必需试验工作，首先要找准影响焊接质量关键原因，以后方可对这些原因进行综合评定。因为现在技术水平和生产条件限制，仅依靠焊后对焊缝无损检测尚不能完全评定焊接接头全部性能。在实际生产中，现在对铝合金焊缝也只检测气孔、夹杂、裂纹、未焊透等几类缺点，而且难以做到100%检测，尤其对于角焊缝，尚难进行有效检测。即使对于铝合金焊接时常见气孔缺点，X射线分辨率现在也只能检测到0.2 mm以上气孔，而对于对接头塑性影响较大微气孔尚不能做到充足判定。总而言之，焊接工艺仍是决定焊接质量直接原因，对焊接工艺在生产中确保质量能力进行科学评定是很必需。针对焊接结构可靠性评定，是近20年焊接结构安全评定技术不停发展。这里仅介绍“合于使用”标准概念16。“合于使用”标准是针对“完美无缺”标准而言。在焊接结构发展早期，要求结构在制造和使用过程中均不能有任何缺点存在，即结构应完美无缺，不然就要返修或报废；以后曾任英国焊接研究所所长Edgar Fuchs经过大量试验证实：在铝合金焊接接头中，即使存在某种程度气孔，对接头强度影响可能微乎其微，而并非必需返修补焊却会造成局部残余应力增大和微观组织结构不利改变，造成使用性能降低。基于这一研究，英国焊接研究所首先提出了“合于使用”概念。在断裂力学出现和广泛应用后，这一概念成为焊接结构长久研究中心课题之一，现已逐步发展成为标准，而且有了明确定义。在部分国家已建立了应用于焊接结构设计、制造和验收“合于使用”标准标准。在“合于使用”评定标准中，均需输入载荷、类裂纹缺点和断裂韧度3个参量，并可粗略地将安全评定方法分为断裂力学方法和结构试验方法。4 结束语铝合金是航天产品关键结构材料之一。伴随材料技术发展，铝合金家族不停壮大。在美国和俄罗斯，2219，1201，1420铝合金全部已取得了广泛应用，2195铝合金也已开始应用。在中国，S147和2195等在未来航天型号中应用前景不容忽略。载人航天和可反复使用航天器对焊接结构可靠性提出了更高要求。伴随这一进程出现，新焊接技术在航天工艺焊接生产中应用必将取得突飞猛进发展，焊接自动化和高质量及可靠性确保能力将是二十一世纪对焊接技术基础要求。尤其是铝合金中厚板和厚板焊接技术在近几年将成为航天焊接工作者研究和推广热点之一。