金属工艺学论文-太空焊接

哈尔滨工业大学

金属工艺学课程论文

题目：太空焊接方法评估

院系：能源科学与工程学院

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太空焊接方法评估

(哈尔滨工业大学，哈尔滨150001)

摘 要：空间技术的发展为各领域科学技术进步注入了生机，而对轨道站的建设及长期安全可靠运行提出了一系列特殊工程要求，其中最为重要的一项就是太空焊接。太空苛刻的条件等制约传统焊接方法的应用。本文提出了像电子束焊、变形焊等低能耗、高热效的连接方法将成为太空焊接的首选方法并对其评估。

关键词：太空焊接；电子束焊；变型焊

Space welding methods to assess

(Energy Science and Engineering, Nuclear Reactor Engineering of Harbin Institute of Technology, Harbin

150001)

Abstract : The development of space technology in various fields of science and technology progress injected vigor and put forward a series of special engineering requirements, and on the orbital station construction and long-term safe and reliable operation, of which the most important one is the space welding. Space demanding conditions restrict the application of the conventional welding method. In this paper, low energy consumption, such as electron beam welding, welding deformation thermally efficient connection method will become the preferred method of space welding and their evaluation.

Keywords : Space welding; electron beam welding; modified welding

21世纪将是人类向太空发展具有规模的时代。空间工作站、航天器以及拟建的太空工厂都同样需要相应的连接和焊接技术。太空的焊接技术有其自身的特点 ,早已引起人们的关注。

1 太空条件下焊接的特殊性

1.1 零重力

零重力条件使得金属在焊接时所呈现的液相或气相状态中没有浮力和对流,而液态的表面效应增强。同时,宇航员不得不在无任何支撑的条件下进行手工操作与施焊。

在零重力条件下,液态金属的表面张力和润湿决定着液态金属的表面张力和润湿决定着焊接过程。在液—汽、液—固、固—汽的界面上的表面张力作用取决于这些相界面上的温度分布。

1.2 真空

目前正在运行和即将投入运行的低轨道站大多在24

10~10--Pa 的真空环境中工作虽然这样的真空度对于在地面进行电子束焊接、真空钎焊、扩散焊已很寻常,但在太空条件下,其抽空率是异常高的,或者可以说是接近于无限的抽空率。

1.3 光亮和阴影反差

光亮与阴影边界反差极明显,导致温度梯度约150~500K , 从而降低了传质与传热过程,而且,在待焊工件上的高温区相互接近。

与在地面环境中的焊接条件截然不同,在太空施焊的条件是异常特殊的, 在上述特殊条件下实现太空焊接的技术困难是显而易见的。

强烈的光亮与阴影之间的反差给太空焊接带来困难,尤其在实现搭接接头的钎焊时更为突出。这种反差效应所形成的急剧温差如同在地面焊接带有预热和深冷的工件时的温差一样,在高空模拟时,太阳的光强与亮度并不

像在太空那样强,操作者可以观察金属加热至微红状态。然而在太空中钎焊时,宇航员在强烈的日光辐射下,不能觉察金属是否被加热到微红状态,只能靠掌握加热时间来确定已达到的温度.但是在太空中钎焊时,液态钎料的毛细现象和在零重力条件下的铺展效应比在地面上更为显著。

2 太空焊接方法的选择

太空焊接方法的选择必须考虑如下因素：一、焊接技术本身应能适应于工业化的应用要求,应具有通用性和简便性; 二、在太空条件下焊接的可行性、可靠性、安全性、低能耗,焊接设备的重量与体积尽可能的小。

2.1焊接可靠性要求

不论是在地球上制造航天装备还是在太空工厂生产各类装置,对焊接质量高可靠性要求是首要的。1996年,我国西昌火箭发射基地为美国发射一颗卫星失败,造成巨大损失。经事后详细检查,本次事故的原因是冷却泵出现故障导致火箭高温爆炸。而引起冷却泵的停转是该系统的电子控制线路中的某电子元件内焊点开焊断路使冷却泵电机停转。

2.2 太空供应不起传统焊接方法的巨大能源消耗

地球上焊接能源主要是电能和化学能。焊接每年要用掉总发电量的约1/4,而且利用率很低。例如,氧乙炔或其它火焰焊接时熔化金属的热效率只有2%,其余98%被散失掉;电弧焊的热效率较高,但也只有28%左右。这种奢侈性的能源消耗在太空工厂中是很难供应得起的。

根据这一实际情况,在太空工厂中,连接只能局限于采用小能源的焊接方法,并且要效率高。

3 电子束焊接方法

电子束焊接是利用高速电子会聚形成的电子束流轰击工件产生的热能使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子从电子枪中的发射体（阴极）逸出，在加速电压作用下，电子被加速至光速的 0.3～0.7 倍，具有一定的动能。再经电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用，会聚成功率密度很高的电子束流。这种电子束流撞击工件表面，电子动能转变为热能而使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸气作用下，工件表面被迅速钻出一个小孔，也称之为匙孔，随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿小孔周围流向熔池后部，并冷却凝固形成焊缝。

电子束焊接的主要特点是，电子束穿透能力强，功率密度极高，焊缝深宽比大，可达到 50:1，可实现大厚度材料一次成形，最大焊接厚度达到 300mm。焊接可达性好，焊接速度快，一般在1m/min 以上，热影响区小，焊接变形小，焊接结构精度高。电子束能量可以调节，被焊金属厚度可以从薄至 0.05mm 到厚至 300mm，不开坡口，一次焊接成形，这是其他焊接方法无法达到的。

电子束焊接能够满足太空中苛刻的工作条件，而地面上常用的焊接方法如埋弧焊、气体保护电弧焊和电渣焊等无法在非重力或真空条件下进行而无法实施。

针对太空焊接，早在前苏联时期巴顿电焊研究所开展了系统的研究工作,对在太空条件下的焊接、钎焊、切割与涂班技术的特殊性进行了深人的实验研究。在经历了一段漫长的探索道路之后,认识到,电子束是可靠、通用、最适合于在太空条件下进行焊接的高效率热源。同时,综合分析表明,最合理的技术途径应该是宇航员积极地参与焊接过程的实施(并不是完全采用手工焊接的方式,而是借助于辅助装置简化操作过程)。按照这一技术方案的最佳选择,开始了一种通用型多功能手工电子束焊接装置的研制。宇航员在太空中可直接采用这种多功能手工焊具进行焊接、切割、钎焊与喷涂。

4 变形焊