中国航天焊接技术应用现状及发展趋势

以１ ７ １１ 焊丝， ２ 或 ２７ ０ 采用合理的 焊接工艺可获得无裂纹、 无气孔和细晶结构的 焊接接头。
国内 “ 八五”期间 １２ 铝铿合金型材 已成功用于 Ｃ －２ ４０ Ｚ Ｆ火箭二级壳体结构； 九五”和 “ “ 十五” 期间铝锉合金的合金成分、 热处理工艺、 加工成形工艺的研究也取得了相应成果。 因此，未来航天储箱铝铿合金的应用，将在很大程度上取决于铝锉合金储箱焊接材料及焊 接工艺方法的进展。 在容器类产品中，由于复合高压气瓶比强度、比模量更高，将有广泛的应用。金属膜 片储箱也有替代重复使用次数较少、寿命较短的橡胶类储箱的趋势。 在这些产品的焊接中， 关键是如何提高焊接接头的疲劳性能。 可重复使用单级入轨火箭发动机推力室采用了液膜冷却系统，其推力室为新型的层板 结构形式，它由数百片至上千片刻有孔和槽的薄板精密组装焊接而成。薄板材料选用不锈 钢，其孔、槽的加工采用光刻工艺。焊接不锈钢层板结构时，既要保证组装焊接时孔、槽 的准确定位，形成的特定流道不被堵塞，又要保证全板面积的可靠焊接密封。因此，从薄 片成形，光刻、组装到扩散焊接工艺都将影响层板结构的质量。
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中国航天焊接技术应用现状及发展趋势
厉克勤 刘志华 周炼刚
（ 航天材料及工艺研究所 北京 １０７） ００６
摘要：简要介绍了航天发动机、箭体结构及管路系统等结构中的焊接技术应用现状，展望了新 材料焊接技术、新焊接工艺方法在未来航天新结构中应用的发展趋势。
ｗ ｌｎ ｔｈｏ ｇ ｓｎｗ ｌｎ ｔ ｈｉ ｅ ｆ ｆｕ ａ ｏ ａ ｓｕｔｅ ｌａｏｓ ｂｅ ｅ ｉ ｅ ｎｌ ｉ ， ｗ ｄ ｇ ｎ ｕｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｃ ｔｃ ｒ ａ ｉ ｔｎ ｈｓ ｎ ｄ ｇ ｏ ｅ ｅ ｅ ｉ ｅ ｑ ｏ ｔｅ ｐ ｅ ｕ ｐ ｃ ｉ ａ ｅ ｃ ｃ ｒ ｒ ｒ ｐ
１ 中国航天焊接技术的应用现状
１ 在火箭发动机上的应用 ． １ 发动机是运载火箭的心脏，液体火箭发动机推力室由燃烧室头部喷注器组合件和身部 （ 包括燃烧室和喷管）焊接而成。头部由层板式熔焊结构及套筒式、套圈式、管板式等的
月 组卜一一 一一 一一 ０Ｎ ｄ ｊ Ｍ （２４ ＆Ｍ＊ ＂ ０ ［ ． ｅ
的发展，中国的航天工业己 形成了 长征一号到四号运载火箭， 从通信卫星、 ’ 气象卫星到科
学探测试验卫星等独立自 主的系列产品，特别是 “ 神州五号”载人飞行的成功，使中国在 国际上的航天地位得到了进一步的提高。 焊接技术在航天产品结构上有着广泛的应用，尤其在航天发动机、箭弹星船体结构、 容器、管路和一些精密器件的制造中起着重要的作用。由于航天产品结构不仅要求轻质高 强，而且还需承受高压及振动、高低温及其交变、大热流、强氧化剂腐蚀及太空等严酷环 境，使得航天焊接技术独具特色。
成。
高温合金涡轮盘叶片与不锈钢叶冠的连接采用了金基钎料，在氢气保护下连续顺序感 应钎焊。此外，固体火箭发动机壳体、发动机泵体结构、活门波纹管组合中采用了自 动氢 弧焊和真空电子束焊接。钦合金叶轮大都采用真空钎焊或扩散焊 （ 钎焊）的方法，铝合金 叶轮则实行炉中钎焊和气体保护钎焊。 １ 在储箱等焊接结构中的应用 ． ２ 储箱是液体火箭 （ 导弹）的主体结构之一，储存燃料并承受结构载荷。中国早期采用
ａａ ｚｄ ｎｌ ｅ． ｙ Ｋ ｙ ｒｓ Ｃ ｉ ａｒ ｐｃ， ｐｃｔｎ ｅ ｉ ｔ ｈｉ ｅ， ｔ ｌ ， ｎｅｃ ｅ ｗ ｄ： ｈ ａ ｓａｅ Ａ ｌａｏ ｏｗ ｌｎ ｅ ｎ ｕｓ Ａ ｕ ｉ Ｔ ｄｎｙ ｏ ｎ ｅ ｏ ｐ ｉ ｉ ｆ ｄ ｇ 返于地球表面和空间轨道之间、或轨道之间承载各种有 效载荷的飞行器的总称。包括火箭、导弹、卫星、载人或货运飞船、航天飞机、空间实验 平台和空间站等。 ２ 世纪是空间探索和开发的世纪，未来国家安全和经济发展潜力对空间的依赖日 １ 益增 强。太空既是国家安全的高空边疆，又是推动国民经济增长的重要源泉之一。经过近 ５ 年 ０
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ＳＳ １ Ｔ－９ 飞行任务； Ａ Ａ向 Ｎ Ｓ 洛马公司定购 １ 个 ＳＷＴ储箱用于航天飞行计划。 ２ ０ Ｌ 前苏联
２ 世纪 ６ 年代发明了铝镁铿合金 １２ ，并相继研制了配套使用的 １５ 焊丝，己在飞机和 ０ ０ ４０ ５７ 火箭上成功使用了 ２ ０多年。２ 世纪 ８ 年代俄罗斯研制了含 Ｓ 的 １６ 铝铜铿合金，配 ０ ０ ｃ ４０
Ａ－ ｇ系合金 ５Ｏ， ０ 作为第一代储箱结构材料，由 ｌ Ｍ Ａ３ ５ ６ Ａ 于该材料的 焊接性能良 采用 好， 钨极氢弧焊单面焊双面成形的方法焊接。 增加承载能力，０ 为了 ２ 世纪 ７ 年代开始采用２ １ ０ Ａ４
（Ｄ ）铝铜合金作为第二代航天储箱结构材料。２ １ Ｏ Ｓ Ｌ ｌ Ｃ Ａ ４铝合金的焊接性能较差，焊接 时易生成焊接裂纹。研制初期出现的主要问题是：焊接后的储箱液压试验时发生低压爆破， 达不到设计要求， 此外储箱存放一段时间后又出现表面裂纹。 经持续攻关， 专门研制了３０ ８ 系列焊丝作为焊接填充材料，使其有别于母材成分并具有预防产生焊接裂纹的能力；采用 先在箱底正面实施打底焊及盖面焊，再从反面清根和封底焊的两面三层钨极氢弧焊工艺， 彻底消除了焊接裂纹，并通过加强热影响区局部软化程度，提高了焊接接头承载时塑性变 形能力，使焊接的储箱达到了设计使用要求。后来又在储箱大部分的焊缝中采用了单面焊 双面成形的工艺，改进后的工艺提高了储箱的焊接效率和焊接工艺稳定性。 在返回舱、伞舱等结构的焊接中，解决了焊接变形、气孔缺陷超标等问题，满足了载 人的苛刻要求。 气瓶是航天器中的重要部件，储存高压气体，用于推进剂储箱增压或作为调整飞行器 姿态和方向控制的动力源。由于钦合金比强度高、耐蚀性好，因此作为航天压力容器的主 要材料。常温钦合金气瓶采用了 Ｔ ４ ｉ Ａ－ ）合金，而低温钦气瓶则采用低温力学性 Ｃ （ － １Ｖ Ｔ６ ４ 能较好的Ｔ ７Ｌ （ｉＡ－５ｎ． Ａ Ｅ Ｉ － １． ） 钦气瓶的焊接从早期的氢弧焊、等离子弧焊到目 Ｔ５ ２ Ｓ 前较普
２ 航天焊接技术应用的发展趋势
２ 新型号中新材料新结构对焊接技术的需求 ． １ 为适应未来大运载能力航天器的需要，需研制、应用新的高比强度、高比模量、低密 度材料轻型储箱。国外航天储箱结构材料已由第一代铝镁合金、第二代铝铜合金向第三代 铝铿合金发展。 我国虽然掌握了２ １ 铝合金储箱的焊接技术， Ａ４ 但仍存在气孔易超差， 生产 成本较高，生产效率较低等问题。２１ ２ １ ２９和 Ａ ４都是铝铜系合金，力学性能相近，两者相 比２１ 铝合金的焊接裂纹敏感性低，焊接接头的塑性较好，因此在近期的储箱中有望获得 ２９ 应用，但其气孔敏感性仍较强，尤其是熔合区密集的微气孔是其主要缺陷。此问题需在板 材制造、焊接填充材料、焊接方法及工艺的研究中加以解决。 铝铿合金是指铿的质量分数为 １ －４ ％ ％的多元铝合金。用铝铿合金代替铝铜合金，可 减轻储箱结构质量 ７ ％，增加有效载荷 １％ ５ ０ 一１％。美国用 ２９ 合金制成的超轻质量储箱 １５ ＳＷＴ Ｌ ，直径为８ ｍ， ． 长度为４ｍ ２ ７ ，已用于奋进号航天飞机，并在 １９ 年 ６ ９８ 月成功执行了
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钎焊或扩散焊结构组成。推力室身部最初为结构钢内外壁夹层焊接结构，其内壁厚达 ５ ６ ｍ， ｍ 外壁厚达 ２ ｍ 制造时易产生焊接裂纹， －５ ｍ， 试车时易发生疲劳破坏。 此后， 推力室 身部结构不断创新，采用了适于再生冷却的波纹板式、铣槽式等加压钎焊结构。喷管采用 了管束熔焊结构。 夹层结构内壁及管束结构的导板均需接触高温高速燃气流，虽可通过再生冷却散热降 温，但其材料仍需具有一定的高温强度。因此选用了不锈钢、耐热钢、高温镍基合金和导 热性较好的铜合金材料。夹层结构的外壁和管束式结构的加强箍，由高强度不锈钢和镍基 合金制成。 铣槽式和波纹板式夹层结构的零组件由氢弧焊、等离子弧焊和电子束焊完成，由于铜 合金热影响区易于氧化，铜／ 钢夹层结构的零组件及总装件采用真空电子束焊接而成，为夹 层结构钎焊或扩散焊提供洁净的零件表面。 在钢／ 钢夹层结构钎焊中选用了自 行研制的 １ 号和 ２ 号锰基合金钎料， 钎焊前内外壁分 别镀镍，再将 ０ ２－． ｍ 的箔点焊在待钎焊表面，钎焊时夹层内抽真空以保证零组件之 ． ０ｍ １ ３ 间的紧密均匀接触。铜／ 钢夹层结构则采用内壁镀银、铜，外壁镀镍，银、铜、镍作为中间 层，夹层内抽真空，夹层外加一定外压的扩散钎焊方法。 管束式喷管由几百根变截面方管按一定规律排列，采用氢弧焊工艺将相邻管壁焊接而
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地面发射平台、支架等承力结构的焊接一般采用氢弧焊工艺，而厚达数十毫米的铝合 金发射筒则采用了熔化极气体保护焊方法。 值得一提的是在 １９ 年 ２ ５ ８ ８ ９６ ． 和 ． 发射失利后，在航天系统内 １ １ 进一步强化了焊接标 准体系， 强制推行了Ｑ２９－１ ５《 Ｊ６８ ９ 铝合金熔焊技术条件》 １ 项焊接标准， ９ 等 ０ 要求所有焊 缝均需经过 Ｘ射线或其他检验方法检验或旁证，加强了焊接人员培训及上岗考核，从而推 动了航天焊接技术的发展，促进了航天型号焊接质量的提高。
关键词：中国航天 焊接技术应用现状 发展趋势
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遍采用的电子束焊接工艺。此外，还采用铝合金作为气瓶或小储箱材料，形状有球形、柱 形等，采用手工及自 动氢弧焊或真空电子束焊接工艺。 １ 在管路焊接中的应用 ． ３ 在航天器中，需进行不锈钢、钦合金及铝合金等不同材料管子的焊接，直径从几毫米 到几百毫米，曾经因管子焊接的质量问题，发生了飞行失败的事例。为此，原先普遍采用 的手工氢弧焊工艺已逐步被自 动氢弧焊、感应钎焊所代替，安装位置的焊接则已 采用了自 动全位置焊接工艺。由于铝合金具有较强的气孔敏感性，焊接时的气孔缺陷容易超标，故 铝合金导管焊接合格率偏低。在管路系统安装焊接时，管路上需钻工艺孔来实现管路内惰 性气体保护，由此，发展了独特的管路工艺孔堵焊工艺。 １ 在精密器件焊接中的应用 ． ４ 波导器件所用的材料由铜合金发展为 ３０ ． ３ ６６ 等铝合金，钎料为铝硅镁系 ０３ ６６ 和 ０１ ０ 合金，钎焊方法由盐浴或火焰钎焊发展为真空钎焊或真空钎焊一 气体淬火组合工艺。在直波 导、弯波导及由多层板式多达数十个零件组合而成的复杂组合件的钎焊中，精密装夹定位、 钎焊料选择及定位和钎焊工艺及参数决定了焊接质量和电性能参数，有的需经过数次阶梯 焊接才能完成。 在航天用压力、温度及惯性器件等传感器的细丝、薄片、膜片等结构中，采用了激光 点焊、储能点焊、压焊和软钎焊等焊接工艺。不锈钢 Ｏ形环、铅环及塑料环等密封件，则 采用了电阻或储能对焊和热压焊等工艺。