航天工業(yè)中鋁合金焊接工藝的研究

朱錫川，陳 寧，楊光偉，項 陽

（1.首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

近年來，隨著科技的進(jìn)步和航天工業(yè)的發(fā)展，使用傳統(tǒng)的鉚接技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)在航天工業(yè)的要求，傳統(tǒng)的鉚接技術(shù)已經(jīng)被焊接技術(shù)所替代。目前，焊接技術(shù)在航天制造和材料加工的過程中占據(jù)至關(guān)重要的地位[1]。

但是，隨著航天新材料的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的焊接技術(shù)也已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)在航天工業(yè)的需求。為了保證新材料及其新結(jié)構(gòu)能夠在航天產(chǎn)品中發(fā)揮預(yù)期的作用，越來越多的新型焊接技術(shù)被廣泛應(yīng)用在航天制造中。

1 焊接技術(shù)的研究與應(yīng)用

焊接指的是將兩種或兩種以上相同或不同種類的材料以原子或分子間擴(kuò)散和結(jié)合的方式永久地、牢固地連接為一個整體[2]。通過焊接技術(shù)連接材料可以節(jié)省材料，簡化構(gòu)件整體的加工工序，提高生產(chǎn)效率。在航天工業(yè)中，焊接技術(shù)的使用不僅能夠使航天器的質(zhì)量減輕，還能夠進(jìn)一步提高航天器發(fā)動機(jī)的性能。在航天工業(yè)制造過程中采用了各種各樣的焊接技術(shù)。其中，在噴氣發(fā)動機(jī)零部件中，有50%的是通過焊接完成的，而且在航天工業(yè)制造中，有10%的工時花費在焊接上。因此，可以說焊接技術(shù)是現(xiàn)代航天工業(yè)乃至整個制造業(yè)中必不可少的工藝過程。

目前，國內(nèi)外使用的新型焊接技術(shù)主要有電子束焊接技術(shù)、激光焊接技術(shù)和攪拌摩擦焊接技術(shù)等，其中，電子束焊接技術(shù)應(yīng)用最為廣泛[3]。

2 焊接工藝參數(shù)的研究

在航天工業(yè)乃至整個制造業(yè)中，焊接是一套必不可少的工藝，焊件的質(zhì)量水平尤其決定著該焊件能否在工作中充分、全面地發(fā)揮其作用。因此，選擇合適的焊接工藝參數(shù)對制造出合格的產(chǎn)品是非常重要的。本節(jié)主要研究焊接工藝參數(shù)與焊縫氣孔數(shù)的關(guān)系。

試驗所采用的母材為3061-T6鋁合金薄板，化學(xué)成分如表1所示。此次試驗采用的焊接技術(shù)為電子束焊接技術(shù)。

2.1 氣孔數(shù)目的計算

氣孔是由溶解在金屬中的氣體或者在焊接過程中產(chǎn)生的氣體所形成的氣泡被凝固的金屬包圍所形成的，它屬于焊接工藝中一種常見的現(xiàn)象。在實際的焊接過程中，常常在焊縫中有各種各樣的氣孔出現(xiàn)，有的存在于焊縫的內(nèi)部，而有的存在于焊縫的表面。氣孔數(shù)即為焊縫中氣孔所占的體積與總焊縫質(zhì)量的比值，氣孔數(shù)的計算公式如式（1）所示：

式（1）中：n為該焊縫中氣孔的數(shù)量；di為焊縫中氣孔截面等效圓的直徑；m為該焊件中焊縫的質(zhì)量。

2.2 試驗結(jié)果

試驗表明，當(dāng)焊接速度小于0.7 m/min時，焊縫中氣孔的數(shù)目隨著焊接速度的加快而增加。此情況是因為隨著焊接速度的加快，冷卻速度也在加快，焊縫中的氣泡還來不及擴(kuò)散就被凝固在金屬中。

當(dāng)焊接速度大于0.7 m/min時，焊縫中的氣孔數(shù)目隨著焊接速度的加快而減少。這種情況主要是因為焊接速度過快，使焊縫中的氣孔還來不及聚集金屬就凝固了，所以氣孔隨著焊接速度的加快而減少。

隨著熱輸入值的增大，焊縫中氣孔的數(shù)目減少，這主要是因為隨著熱輸入值的增大，焊縫深度和寬度的比值減小，從而使焊縫中的氣泡更容易擴(kuò)散出來。

3 總結(jié)

近年來，隨著航天工業(yè)的發(fā)展和各種新型航天材料的不斷涌現(xiàn)，先進(jìn)焊接技術(shù)在航天制造工業(yè)中扮演著更加重要的角色。本文著重介紹了航天工業(yè)的焊接技術(shù)。在采用電子束焊接技術(shù)焊接鋁合金的基礎(chǔ)上研究了焊接工藝參數(shù)與焊縫中氣孔數(shù)的關(guān)系，并得出以下結(jié)論：焊縫中的氣孔數(shù)隨著熱輸入能量的升高而減少，焊縫中的氣孔數(shù)隨著焊接次數(shù)的增加而減少；當(dāng)焊接速度小于0.7 m/min時，氣孔數(shù)隨著焊接速度的加快而增加；當(dāng)焊接速度大于0.7 m/min時，焊縫中的氣孔數(shù)隨著焊接速度的加快而減少。

［1］ 李亞江，吳娜.先進(jìn)焊接技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2010（09）：43-47.

［2］ 巖石.航空航天先進(jìn)特種焊接技術(shù)應(yīng)用調(diào)查報告［J］.航空制造技術(shù)，2010（09）：58-59.

［3］ 吳愛萍，趙海燕，史清宇，等.航空航天焊接結(jié)構(gòu)件應(yīng)力與變形的預(yù)測與控制［J］.航空制造技術(shù)，2008（24）：26-30.