询问关于氩弧焊的问题
21世纪工业铝合金焊接技术展望。
简要回顾了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进行了总结和分析。介绍了铝合金焊接技术的最新发展和应用前景，包括变极性等离子焊接、局部真空电子束焊接、气体脉冲焊接、搅拌摩擦焊、焊接修复技术、焊接工艺裕度和焊接结构安全评估技术。
关键词:铝合金；焊接；宇宙空间
1之前
铝合金不仅具有较高的比强度、比模量、断裂韧性、疲劳强度和耐腐蚀稳定性，而且具有良好的成形工艺和焊接性，因此成为航空航天工业中应用最广泛的有色金属结构材料。
例如，铝合金是运载火箭和各种航天器的主要结构材料。美国阿波罗飞船的指令舱、登月舱、氢氧推进剂贮箱和乘员舱也采用铝合金作为结构材料。铝合金也广泛用作我国研制的各种大型运载火箭的主要结构材料。
航空航天工业铝合金焊接技术的发展和应用与材料的发展密切相关。本文将简要回顾航天工业铝合金焊接技术的发展，并介绍几种极具应用前景的铝合金焊接技术。
2铝合金焊接技术的发展
2.1 LD10CS铝合金焊接综述
一些早期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，特别是退火和半冷加工硬化状态的LF3和LF6防锈铝，被广泛使用。两种铝合金都具有优异的可焊性[1]。？
随着航天技术的发展，运载火箭推进剂贮箱的结构材料已由非热处理强化的防锈铝转变为热处理强化的高强度铝合金。LD10CS合金已成功应用于多种大型运载火箭和固体导弹。由于其优异的超低温性能，在三级液氢和液氧推进剂贮箱中也得到了应用。
需要指出的是，LD10合金的可焊性较差，焊接时形成热裂纹的倾向较大，而且对焊接过程中的各种因素也比较敏感，焊接接头的断裂韧性较低，特别是当焊缝中存在焊接缺陷时，试件在水压强度试验时常发生低压爆炸。
20世纪70年代，在研制LD10合金火箭推进剂贮箱的初期，焊接技术遇到了很大的困难。在“三合一”研究中发明的“双面三层焊”工艺(正面打底、盖面、背面清根、封焊)，使焊接接头性能达到设计要求。在LD10的焊接生产实践中，得出如果焊接接头区域伸长率不小于3%，焊接接头的塑性就能满足使用要求。在随后的几年里，“伸长率不小于3%”一直被作为一个重要的验收指标。？
几十年来，焊接技术主要是氩弧焊(TIG)，包括手工和自动氩弧焊。从焊接工艺方面来说，为了减少焊接结构的焊接残余应力和变形，通常在焊接工艺的选择上尽可能减少焊接热输入。特别是热处理强化的铝合金，由于焊接热过程的影响，焊接热影响区存在软化区，塑性好，强度低。焊接接头的强度系数为0.5 ~ 0.7。？
LD10CS罐体为什么采用双面三层焊接工艺？理论分析和实践结果表明，如果不采用这种焊接方法，LD10CS铝合金焊接接头的塑性会较差，焊缝背面焊趾处容易出现裂纹。双面三层焊接时，清根和封底焊可以消除这种裂纹。同时，由于大的热输入，热影响区发生不同程度的退火或过时效，降低了硬度，提高了塑性。焊接拉伸试样的断裂位置是焊接软化区。这样，在结构中，软化区的塑性和变形弥补了复杂应力状态下熔合区塑性的不足。但储罐焊缝修复后，有时仍会发生低压爆破。
由于双面焊接的特殊要求，自动焊和新焊接技术(如真空电子束焊、变极性等离子焊等)的应用。)有限。这是因为氩弧焊的焊接热输入大于高能束真空电子束焊，且考虑到焊接接头的结构受力适应性，焊接热输入集中的焊接新技术难以应用，制约了焊接新技术的应用。？
在焊接生产中，铝合金焊缝常见的缺陷是焊缝气孔。氢是铝及其合金熔焊过程中产生气孔的主要原因。母材中的氢含量、焊丝和母材表面氧化膜吸收的水分、弧柱气氛中的水分都是焊缝气孔中氢的重要来源。航天焊接工作者为确保航天焊接产品的顺利交付和发射做出了不懈的努力。然而，由于多种因素和条件的影响，在生产中仍存在一些超差气孔。？
焊接材料方面，国外采用特殊的焊接板，母材氢含量小于2×10-7？。而国内铝合金板材制造技术条件中并没有对氢含量的要求。
2.2铝合金2219与铝锂合金焊接概述
2219高强铝合金的突出特点是可焊性好，在-253℃至+200℃范围内具有良好的力学性能和抗应力腐蚀性能，对焊接热裂纹敏感性低，焊接接头具有良好的塑性和低温韧性。在美国已经作为推进剂贮箱的主要结构材料，美国的土星V I贮箱采用了2219铝合金。在前苏联，1201(相当于2219)铝合金被广泛用于航天飞机能源和暴雪。？
与2219铝合金相似，我国研制的S147铝合金产生焊接裂纹的倾向较低，但对产生气孔有很强的敏感性，特别是在熔合区和密集的气孔，它们是影响焊接接头性能的主要缺陷。
随着航空航天技术的发展，对铝合金的强度和减薄量提出了更高的要求，铝锂合金近几十年发展迅速。因为每加入1%李灿，铝合金重量减少3%，弹性模量增加6%，比弹性模量增加9%。与飞机产品常用的2024、7075合金相比，该合金密度降低7% ~ 11%，弹性模量提高12% ~ 65475。前苏联的120合金与广泛使用的硬铝(硬铝)д 16 (2024)合金相比，密度降低12%，弹性模量提高6% ~ 8%，耐蚀性好，疲劳裂纹扩展速率低，强度、屈服强度和伸长率相近，焊接性好[
前苏联航空材料研究所(виам) инридляндер等人在20世纪60年代发明了al。名爵？对Li系1420合金的焊接进行了研究。对这种合金焊接的研究在20世纪70年代取得了成果。他们认为AM可以用于这种合金的氩弧焊。г6、AM？用г6T和1557焊丝，焊接接头强度系数达到0.7以上。焊前和焊后热处理对焊接接头的强度有很大影响。焊接接头在淬火状态下的强度比淬火和人工时效状态下的强度低78.5 MPa，焊后淬火和人工时效可以使焊接接头的强度系数达到0.9 ~ 1.0。1980 1420合金用于制造米格-29超音速战斗机的焊接机身、油箱和驾驶舱，使飞机重量大幅减轻24%。到目前为止，1420合金已经成功使用了30多年，广泛应用于军用和民用飞机和火箭[3]。
上世纪80年代，俄罗斯研制出1460(Al？Cu？Li)合金，该合金通过添加Sc元素强化，改变了晶粒和亚晶结构，抗拉强度提高30 ~ 50 MPa，焊接性明显改善。1460合金的焊接工艺与1420合金基本相同，1201(Al？Cu？Mn)合金焊丝，钪(Sc)元素也可以添加到焊丝中。各部件对比试验后，推荐使用CB-1207或CB-1217焊丝，焊丝成分为AL？添加铜、钪、锆、钛等。在Cu的基础上，具体成分还需要进一步了解。这种焊丝的应用可以显著降低焊缝热裂纹的敏感性。氩弧焊接头强度大于250 MPa，焊接接头强度系数大于0.5，焊后热处理后焊接接头强度和硬度提高。〔4~8〕?这种焊丝可以保证接头无裂纹、晶粒细小，通过合理选择焊接工艺和焊前准备，可以获得无气孔的焊接接头。
美国发现号航天飞机的外贮箱采用了2195(Al？Cu？李？Mg)高强度铝锂合金，替代原来使用了25 ~ 40年的2219合金。新设计的SLWT(超轻型坦克)比原坦克轻5%，即3 405 kg，其中LH2坦克为1 907 kg，LO2坦克为736 kg，舱间段为341 kg，其他为422 kg。每减少1 kg重量，可增加有效载荷1 kg，从而增加有效载荷3 405 kg。美国生产了120 SLWT，完成了所有航天飞行计划[9 ~ 10]。
2195-T8合金罐体采用4043焊丝和变极性等离子弧焊(VPPA)焊接。VPPA电弧温度高，电弧电压高，热量更集中。VPPA焊接2195-T8铝锂合金的关键是焊缝的背面保护。铝锂合金中含有活性锂元素，焊接时如果背面保护不好，容易被氧化。马歇尔飞行中心研制了一种长229 mm、宽25.4 mm、高152 mm的不锈钢“保护箱”，焊接时“保护箱”随焊枪行走，使焊缝区的氧小于0.5%。此外，还研制了直径51 mm、长229 mm的不锈钢管，安装在工件背面，焊接时可随焊枪移动，还能有效保护背面焊缝。如果同时使用这两种保护装置，效果更好。
3几种有前途的技术
3.1变极性等离子弧焊接技术(VPPA)
1978年，美国国家航空航天局马歇尔航天中心决定用变极性等离子弧焊接技术部分替代钨极氩弧焊工艺焊接航天飞机的外贮箱。航天飞机的外贮箱采用2219铝合金，焊接6400 m焊缝。经100% X射线检测，未发现内部缺陷，焊缝质量较TIG多层焊有明显提高。？
铝合金焊接采用变极性等离子焊接技术，铝合金单道厚度可达25.4 mm。其工艺特点是在焊接过程中，焊接熔池中心有一个贯通的小孔，实际生产中通常采用立焊工艺，不仅有利于焊缝的前沿形成，而且有利于熔池中氢的逸出，减少气孔缺陷。因此被称为“零缺陷焊接”。？
八五期间，在引进国外某公司变极性等离子焊接系统的基础上，进行了LF6、LD10铝合金平板(厚度3 mm、6 mm、10 mm)的焊接工艺试验[11]。？
“九五”期间与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。进行了LF6和LD10铝合金板(厚度3 mm、5 mm、12 mm)的焊接工艺试验，焊接了纵缝和环缝的罐体模拟件，解决了电弧打孔和电弧填孔以及焊缝首尾相接的问题。
随着2219铝合金和2195铝锂合金的应用，变极性等离子焊接技术在未来中厚大型储罐的焊接生产中具有广阔的应用前景。
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在真空环境中焊接工件，所以可以获得高质量的焊缝。同时，电子束的高能量密度使得焊缝窄，深宽比大，焊接应力和变形小，在各种工业领域，特别是国防工业中得到了广泛的应用。
但对于一些大型构件，如运载火箭的贮箱壳体，如果采用真空电子束焊接技术，则需要一个体积数百立方米的大型真空室，这种电子束焊接设备非常昂贵。为了解决这一问题，国外开始设计和应用局部真空电子束焊接设备。不是将整个工件放入真空室，而是在局部焊缝处建立真空环境来完成焊接。
前苏联将局部真空电子束焊接技术应用于不同类型和尺寸的火箭燃料箱壳体的焊接。在壳体的纵缝、对接环缝和法兰环缝焊接中，采用了局部真空电子束焊接技术。90年代初用于φ2.5m直径壳体的环缝焊接。能量火箭贮箱纵缝采用局部真空电子束焊接，壁厚42 mm，局部密封采用磁流体密封、橡胶圈密封等技术。？
“九五”期间，与中科院电工所合作研制了1国产局部真空电子束法兰环缝焊机(专利号:ZL 002631776.6) [12]。电子枪和上真空室采用动态密封结构，工件和上、下真空室采用静态密封结构。电子枪可以在焊接过程中实现极坐标移动。电子枪的径向运动由步进电机驱动，位移由光栅尺检测。圆周旋转由交流伺服电机驱动，光码盘检测器角位移。采用二次电子焊缝对中系统实现焊缝轨迹示教。采用两级微机控制，PLC控制焊接参数，即可实现柔性焊接，即焊接直径为100 ~ 300mm的法兰环缝。局部真空室真空度达到5×10-3Pa，高于国外同类产品。？
在未来2219铝合金和2195铝锂合金航天器的厚壁结构中，特别是在对焊接残余应力和变形要求较高的法兰环缝焊接生产中，应用局部真空电子束焊接技术对提高焊接质量具有重要意义。
3.3气体脉冲TIG和MIG焊接技术
在航空航天工业中，铝合金焊接广泛采用TIG和MIG工艺，采用氩气和氦气作为保护气体，其中氩气应用广泛。
就TIG焊而言，有两种工艺:交流氩弧焊和DC直接氦弧焊。与氩气(Ar)相比，氦气(He)的最小电离能更高，在其他条件和参数相同的情况下，电弧电压更高。因此氦弧焊接电弧温度高，焊接热输入大，能量密度较高。与氩弧焊相比，氦弧焊熔深更大，焊接缺陷更少，尤其是焊接气孔。
根据资料，DC直接氦弧焊在交流氩弧焊中没有阴极雾化去除氧化膜的作用，氧化膜的破坏程度取决于电弧的长度，所以DC直接氦弧焊采用短弧焊去除氧化膜。这使得焊接时填丝更加困难，而且由于设备等因素的限制，DC直接氦弧焊还没有得到广泛应用。
为了利用氦弧的高热，避免纯氦带来的弊端，国外采用气体脉冲Ar+He TIG和MIG焊接技术焊接铝合金，可以大大减少焊接气孔。？
借鉴国外经验，近年来开始了气体脉冲TIG焊接技术的研究。初步试验表明，气体脉冲(Ar+He)TIG焊接工艺对抑制铝合金S147焊接气孔有明显效果。7 mm平板可一次熔透，无坡口，表面光泽度与氩弧焊相同，避免DC直接氦弧焊焊缝表面发暗。焊接工艺和可操作性与氩弧焊相同，弧长没有特别限制。这对未来车型应用对气孔敏感的S147铝合金和2195铝锂合金具有重要的应用价值。？
3.4搅拌摩擦焊技术
铝合金广泛应用于航空航天工业飞机结构中，由于某些材料的可焊性较差，不得不采用铆接结构。焊接研究所(TWI)在1991发明的搅拌摩擦焊为这类材料的连接提供了新的思路[13]。由于这种方法属于固相焊接，所以特别适用于熔化可焊性差的有色金属。与熔焊方法相比，它不会产生与熔化有关的焊接缺陷，如热裂纹和气孔。但由于该方法的局限性，其应用仅限于结构简单的工件。
搅拌摩擦焊的原理是利用摩擦产生的热量对高速旋转的搅拌头异形指周围的金属进行快速加热，形成一层非常薄的热塑性金属层。随着搅拌头的移动，搅拌摩擦焊的焊缝形成。目前搅拌摩擦焊研究成功的铝合金有:2000系列(Al？Cu)、5000系列(Al？Mg)、6000系列(Al？名爵？Si)、7000系列(Al？Zn)、8000系列(Al？李).1998年，美国Pop公司太空防御实验室将该技术应用于部分火箭部件的焊接。目前，ESAB公司正在制造一台商用搅拌摩擦焊机，计划于2002年安装在TWI，用于焊接尺寸为8 m× 5 m的工件，预计可焊接的工件厚度为1.5 ~ 18 mm，国内一些高校和科研院所也开始了这方面的研究工作，有理由相信，搅拌摩擦焊接技术在中国最有应用前景的将是航空航天工业。
3.5焊接修复技术
铝合金结构件的焊接修复是航天器在生产和使用中必然会遇到的问题。在焊接生产中，由于材料、结构、设备、工艺、环境条件等偶然因素，焊接后会出现超标的焊接缺陷，需要补焊。传统的手工TIG焊接方法虽然简单易操作，但由于局部焊接热输入大，可能造成晶粒长大和局部韧性降低，同时在补焊部位造成较大的残余应力，往往成为“低压爆破”的裂纹源。另一方面，未来可重复使用的运载火箭，在重复使用后可能会出现一些部件出现裂纹等缺陷，需要通过焊接的方式进行修复。此时，运载火箭外部覆盖有隔热材料，对温升有非常严格的要求，必须采用集中传热、小传热的焊接工艺。
摩擦塞焊技术【14】由英国剑桥焊接研究所于1995年发明。洛马公司和美国国家航空航天局马歇尔飞行中心对补焊技术进行了研究，并于2000年用于外部油箱的焊接修复。这是一种新的焊接修复技术。在焊缝缺陷处钻一个楔形孔，在孔中插入一个与孔形状相似的楔形旋转塞。高速旋转时，完整的楔形塞与孔表面摩擦产生热量，实现焊接。焊接参数包括塞子直径、旋转速度、施加的压力和塞子位移。它不同于熔焊修补，熔焊修补需要反复打磨填充，才能去除缺陷。焊接修复的强度比普通TIG熔焊修复高20%，提高了修复部位的力学性能，不易产生焊接缺陷。修复过程还可以大大减少修复时间，降低成本。
此外，还有人提出了激光补焊的想法。铝合金激光焊接的难点在于铝合金对CO2激光束的影响(波长为10.6？微米)具有极高的初始表面反射率(90%以上)，YAG激光束(波长为1.06μm)的反射率接近80%。而且铝合金激光束容易产生气孔。这些问题需要进一步研究。
3.6焊接工艺及焊接结构安全评估技术
由于航空航天产品的特殊性，非常注重产品质量和可靠性。随着焊接技术的发展，对航天产品的焊接质量和可靠性不断提出新的要求。在实际生产中，焊接工艺的质量不仅取决于能否完成目标结构的焊接，还取决于是否具有相对稳定的能力使焊接质量达到产品验收标准。“可焊性”的概念回答了焊接能否实现的问题；上世纪90年代，航天焊工提出的“焊接工艺裕度”概念，回答了一个焊接工艺是否能满足焊接质量标准[15]的问题。换句话说，“焊接工艺裕度”的概念是焊接工艺评定的基础。比如保证焊接质量的能力，可以按照焊接工艺裕度的评定方法进行评定，分为“合格工艺”、“限制工艺”和“禁止工艺”。当然，还是要进行必要的实验工作来评价某个特定的工艺。首先，我们必须识别出影响焊接质量的关键因素，然后才能对这些因素进行综合评价。
由于目前技术水平和生产条件的限制，仅通过焊后焊接接头的无损检测还不能全面评价焊接接头的所有性能。在实际生产中，目前对铝合金焊缝的检测只有气孔、夹杂、裂纹、未焊透等几种缺陷，很难做到100%的检测，尤其是角焊缝。即使对于铝合金焊接中常见的气孔缺陷，X射线的分辨率目前也只能检测到0.2 mm以上的气孔，而对接头塑性影响较大的微小气孔则不能完全判定。总之，焊接工艺仍然是决定焊接质量的直接因素，因此在生产中科学地评价焊接工艺的质量保证能力是非常必要的。
针对焊接结构的可靠性评估，近20年来焊接结构的安全性评估技术不断发展。这里只介绍“适合使用”原则的概念[16]。“适合使用”的原则是针对“完美”的原则。焊接结构发展初期，要求在制造和使用过程中不能有缺陷，即结构要完善，否则就要返修或报废；后来担任焊接研究所所长的埃德加·富克斯(Edgar Fuchs)通过大量实验证明，即使铝合金焊接接头中存在一定程度的气孔，对接头强度的影响也可能很小，而不必要的补焊会增加局部残余应力，不利地改变显微组织，导致使用性能下降。基于这项研究，焊接研究所首次提出了“适合使用”的概念。断裂力学出现并广泛应用后，这一概念成为焊接结构长期研究的中心课题之一，并逐渐发展成为一个有明确定义的原则。在一些国家，已经建立了适用于焊接结构设计、制造和验收的“适合使用”原则的标准。
在“适合使用”的评价标准中，需要输入载荷、裂纹状缺陷、断裂韧性等三个参数，安全性评价方法大致可分为断裂力学法和结构试验法。
4结论
铝合金是航天产品的主要结构材料之一。随着材料技术的发展，铝合金家族日益壮大。在美国和俄罗斯，2219，1201，1420铝合金已被广泛应用，2195铝合金也有应用。在国内，S147和S 2195在未来航天型号中的应用前景不容忽视。载人航天和可重复使用的航天器对焊接结构的可靠性提出了更高的要求。随着这一工艺的出现，焊接新技术在航天焊接生产中的应用必将得到突飞猛进的发展，焊接自动化和高质量、高可靠性的保证将是21世纪对焊接技术的基本要求。特别是铝合金板和厚板的焊接技术，将成为近年来航空航天焊接工作者的热点之一。
参加考试，贡献力量
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