鋁合金焊接技術(shù)

1、逆變脈沖熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)的工藝特性【卩一榦沖電甌 h慕傍制花t廠旋曲僵時(shí)冋基值電制間1 io -E軟性模式 因中性模式I 硬性模式焊弟;主豆悍聲寬更焊弟焰悴1 051 00(1 H0 P0圖三 三種脈沖形態(tài)對(duì)余高、熔寬、熔探的影響1引言：眾所周知， 脈沖電流熔化極氣體保護(hù)焊是在一定平均電流下， 焊接電源的輸出電流以一定的頻率 和幅值變化來(lái)控制熔滴有節(jié)奏的過渡到熔池；可在平均電流小于臨界電流值的條件下獲得射流 （射滴）過渡，穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)一個(gè)脈沖過渡一個(gè)（或多個(gè)）熔滴的理想狀態(tài) 熔滴過渡無(wú)飛濺。并 具有較寬的電流調(diào)節(jié)范圍，適合板厚S 1.0mm工件的全位置焊接，尤其對(duì)那些熱敏感性較強(qiáng)的材料，可有效

2、地控制熱輸入量，改善接頭性能。由于脈沖電弧具有較強(qiáng)的熔池?cái)嚢枳饔?，可以?變?nèi)鄢匾苯鹦阅?，有利于消除氣孔，未熔合等焊接缺陷。唐山松下引進(jìn)開發(fā)的 YD-350/500AG2 型逆變式脈沖電流熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)，是根據(jù)以上 工藝要求精心設(shè)計(jì)的。 該機(jī)內(nèi)置微電腦波形控制裝置， 實(shí)現(xiàn)了脈沖模式 （脈沖焊接時(shí)的電流控制） 和 DIP 模式（短路過渡時(shí)的電流波形控制）相組合的最佳匹配，可適用MIG/MAG/CO 2 氣體保護(hù)焊，可焊接不銹鋼、鋁及鋁合金、低合金鋼、碳鋼、銅和銅合金等金屬材料。2微電腦焊接波形控制模式2.1 “有”脈沖模式 微電腦專家系統(tǒng)控制電弧電壓和平均焊接電流（送絲速度）的變化，自動(dòng)調(diào)

3、整脈沖頻率以適應(yīng)熔滴過渡的變化。脈沖電流、基值電流、 脈沖上升時(shí)間、脈沖下降時(shí)間和脈沖 頻率五項(xiàng)脈沖工藝參數(shù)自動(dòng)尋找最佳工藝參數(shù)值，匹配組合成優(yōu)化效果。2.2 “無(wú)”脈沖模式（波形控制模式） 在不選擇脈沖電流焊接時(shí)，微電腦從 400 萬(wàn)種內(nèi)置的焊接 波形中選取最佳焊接條件，控制精度高，電弧穩(wěn)定性強(qiáng)，最大程度地減少了焊接過程中的飛濺。2.3 上述兩種模式轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)在遙控盒上，便于操作。2.4 當(dāng)脈沖電流輸出的時(shí)候如果發(fā)生短路 （焊絲與母材） 現(xiàn)象， 在微電腦控制下優(yōu)先使短路開放， 然后再輸出脈沖電流的控制方式如圖一，使可控射流過渡更加平穩(wěn)。3. 三種焊接波形的最佳組合模式 由微電腦控制可建立軟性

4、、中性、硬性模式的電弧形態(tài)其波 形如圖二。3.1 軟性模式 電弧直徑較大，其噪音小，飛濺少，電弧穩(wěn)定性強(qiáng)。適合于寬焊縫及實(shí)芯焊絲焊 接的不銹鋼、低合金鋼、碳鋼等金屬材料。3.2 中性模式 電弧直徑較小，電弧挺度高，集中性強(qiáng)。適合于半自動(dòng)焊接角焊縫及薄、中板的 對(duì)接焊縫；可焊接不銹鋼、碳鋼及鋁等有色金屬材料。3.3 硬性模式 電弧直徑更小，電弧集中性更強(qiáng)，焊接波形強(qiáng)化控制。焊接鋁及鋁合金時(shí)清除 氧化膜作用好，熔深大，適合鋁、銅、等材料的焊接，適合于高速自動(dòng)焊、機(jī)器人焊接。3.4 三種電弧形態(tài)對(duì)焊縫寬度、熔深和余高的影響見圖三（是以中性模式為基準(zhǔn)的比率圖）。由圖可知： 與中性電弧相比較軟性電弧的焊

5、縫寬度寬， 熔深淺； 硬性電弧的焊縫寬度窄， 熔深大。 4焊接工藝參數(shù)的調(diào)整：AG2 系列兩款焊機(jī)，在輸出特性上，基值電流維持電弧的穩(wěn)定燃燒，并預(yù)熱母材和焊絲； 焊接脈沖電流一般高于熔滴噴射過渡的臨界電流值，以達(dá)到射流（或射滴）過渡；平均電流值比臨界電流值低，熱輸入量??；焊接電流的調(diào)節(jié)范圍寬，調(diào)節(jié)平均焊接電流即調(diào)節(jié)送絲速度，既可用于薄板（1.0mm焊接，又可用于厚板的焊接，特別是采用較粗焊絲焊接薄板送絲速度仍 很穩(wěn)定。 AG2 焊機(jī)二次（輸出）接線設(shè)有無(wú)脈沖（ MIG/MAG/CO2 ）、有脈沖兩種輸出端子，適 合于普通低合金鋼、鋁及鋁合金、不銹鋼等金屬材料的全位置焊接。4.1操作者在焊接前可

6、將焊絲材質(zhì)（不銹鋼、鋼、鋁），焊絲直徑（0.8、1.0、1.2、1.6），氣體種類（ CO2、MAG ）送絲速度（平均電流值）和輸出控制方法（個(gè)別調(diào)整/一元化調(diào)整）等參數(shù)預(yù)選定，微電腦自動(dòng)調(diào)整脈沖電流、基值電流、脈沖電流的上升和下降速度。4.2 在一元化調(diào)整狀態(tài)下，微調(diào)電弧電壓，控制熔滴過渡平穩(wěn)、無(wú)飛濺時(shí)為較佳工藝參數(shù)。4.3 依據(jù)焊絲材質(zhì)和工藝需要選擇軟性、中性、硬性三種脈沖控制模式，最佳電弧形態(tài)和理想的 熔滴過渡及熔池成形的狀態(tài)。4.4調(diào)整脈沖頻率的強(qiáng)、弱狀態(tài)（無(wú)脈沖時(shí)是調(diào)整控制波形的強(qiáng)、弱狀態(tài)），使電弧更加集中， 適合操作者優(yōu)選的條件。5. 焊接工藝規(guī)范的選擇5.1鋁及鋁合金的焊接在亞射

7、流過渡（即電弧電壓較低）狀態(tài)下，熔滴在射流過渡時(shí)伴隨微量的短路過渡形式，焊絲熔化噴射指向好，焊縫、=-=，熔滴噴射過渡平穩(wěn)，無(wú)飛濺；焊縫成形美觀，焊接效率高，焊縫內(nèi)外質(zhì)量好。5.3 CO 2焊接實(shí)心、藥芯焊絲，選用無(wú)脈沖模式；在微電腦波形控制下，焊接飛濺較小，焊縫成 形美觀。6. 小結(jié)唐山松下引進(jìn)開發(fā)的YM-350/500AG2 逆變脈沖熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)，具有三種電弧形態(tài)模式，電腦自動(dòng)優(yōu)化選擇最佳工藝參數(shù)配合，脈沖電流焊接時(shí)熔滴過渡始終處于可控射流（射滴） 狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無(wú)飛濺焊接，焊接效率高，焊縫成形好，焊縫及熱影響區(qū)的組織和性能得到改善，為 焊接優(yōu)質(zhì)工程提供了可靠保證。*產(chǎn)品名稱：全數(shù)字控制

8、脈沖 MIG/MAG焊機(jī)* 產(chǎn)品型號(hào)： YD-400GE2*可焊材料：鋁、碳鋼、不銹鋼*簡(jiǎn)要說(shuō)明：teoiw Reader產(chǎn)品特點(diǎn)1、 全數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的焊接性能（最優(yōu)化、高精度脈沖波形控制，實(shí)現(xiàn)1脈沖滴下的滴溶過渡，在低電流域 電弧的穩(wěn)定性得以提高） 從薄板到厚板可廣范圍對(duì)應(yīng)。 搭載有各種專用的焊接條件。 可實(shí)現(xiàn)鋁、不銹鋼、碳鋼的高品質(zhì)焊接。2、引弧性能提高 采用CDM方式引?。ㄒr(shí)對(duì)焊絲送給的高精度控制）。 新FTT控制使焊絲端頭形狀均一一致，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定引弧。3、采用帶有高精度編碼器電機(jī)的送絲機(jī)使其可以免受周圍環(huán)境溫度及電壓變化等外在因素影響，始終保持穩(wěn)定 均衡的送絲。4、在手邊可進(jìn)行所

9、有設(shè)定的控制器（通過全數(shù)字實(shí)現(xiàn)高精度的條件再現(xiàn)） 通過1臺(tái)的條件設(shè)定可使幾臺(tái)焊機(jī)再現(xiàn)同一條件。 通過旋轉(zhuǎn)編碼器和液晶可以將數(shù)字式的細(xì)微設(shè)定完全在手邊進(jìn)行。 電流電壓調(diào)整可用獨(dú)立刻度盤設(shè)定。 由于是數(shù)字顯示所以可方便的設(shè)定所喜好的條件。 通過LED顯示燈警告顯示電機(jī)送絲負(fù)荷變動(dòng)，焊接條件負(fù)荷變動(dòng)。 由于核心器件內(nèi)藏于控制器內(nèi)，從粉塵和油污引起的故障中解放岀來(lái)。 一元化 / 個(gè)別調(diào)整 可切換日語(yǔ) / 英語(yǔ)表示。 帶有保持設(shè)定的焊接條件的 “鎖定 ”功能。 初期電流可獨(dú)立設(shè)定。5 、有效減少焊接不良的 “品質(zhì)管理功能 ”具有存儲(chǔ)調(diào)用 32 種焊接條件功能，在多品種，少量焊接中發(fā)揮威力！ 通過控制器可

10、輕松確認(rèn)各種焊接數(shù)據(jù)。 用電腦通信進(jìn)行 “數(shù)據(jù)管理 ”。6、與松下機(jī)器人連接實(shí)現(xiàn)更出色的焊接 設(shè)定最合適的焊接特性，通過串行通信對(duì)應(yīng)，可以從機(jī)器人側(cè)實(shí)現(xiàn)焊接特性的微調(diào)整設(shè)定。 使用 FORCE 送絲輔助裝置使焊接能力近一步提高。 額定規(guī)格型號(hào)YMOTGE產(chǎn)品序列號(hào)YD-400GE2HGE入電壓相數(shù)AC 380Vl5?g 三相Hz50/60魏定輸入功率kVW22.7/20 5輸岀特性cv (恒壓特性)空裁電壓V72頷定悄岀電澈A400離定輸岀電壓V別輸岀電涼范國(guó)*A30-430輸出電壓范圉V15 &-35 SV額足負(fù)載持續(xù)率%60控制方式wIGBT建變榕制計(jì)算機(jī)搽口RS-232C. RS-422

11、冇儲(chǔ)器-抑通道可垂境捍接規(guī)范奮儲(chǔ)機(jī)器人接口-與松下中控制為連接的串行通訊接烽接方議-COi.MIG.MAG 沖胡 I&脈沖 MAGS 接波形檸制方式*數(shù)宇控制時(shí)序焊接怫接-收弧初期-焊接-收豪/點(diǎn)焊 (5功能)保護(hù)氣體悶 CO/100 %M Ar&O %,CO?：20 %麗 Ar：98 %.Q2：2 % ArlOO %焊輕直徑mm08,0-9,1.0.12.16焊建材斜*妹誦實(shí)芯CMS)藥芯MS.FCW)不鎊鋼實(shí)芯(SUS)不儒鋼一苗芯SUS.FCW) 鋁/)送鷲方或正向X.反向抽住(勻機(jī)器人連按時(shí)右效)氣體楡登時(shí)間-1s- tmin 連域(0.1siS)提刑送氣時(shí)間s0.02-5.00連續(xù)調(diào)

12、節(jié)。遞增滯后停氣時(shí)間s0.105.00 逵絞調(diào)節(jié)(0.02siifiiS)點(diǎn)焊時(shí)間s0-M0.00遷絞調(diào)節(jié)(0.1 5遞堆)外融尺寸(WXDXH)mm380X530X600kg68絕緘等級(jí)-H (200C)-MIG焊接的清潔作用在氬氣環(huán)境下，通過電極正、母材負(fù)的極性使電弧產(chǎn)生，母材陰極點(diǎn)不產(chǎn)生于焊絲正下方的溶池 內(nèi)，而分散發(fā)生于熔池周圍。該陰極點(diǎn)選擇容易 放出電子的母材表面的金屬氧化物而產(chǎn)生。氬氣 的陽(yáng)離子與母材碰撞，破壞氧化物，工件要求新 的氧化物向母材移動(dòng)，熔池周圍的皮膜被破壞， 露出清潔的金屬表面。這稱為清潔作用。與鋁TIG焊接電極為正的現(xiàn)象相同熔池爆炸現(xiàn)象MIG焊接時(shí)，焊接電流達(dá)到某一

13、個(gè)值時(shí)，只是母材 上的分散陰極點(diǎn)不能夠提供充足的焊接電流，電弧 集中于焊絲正下方的一點(diǎn)，引起熔池內(nèi)金屬的上揚(yáng) 現(xiàn)象。該現(xiàn)象稱為熔池爆炸現(xiàn)象，在鋁焊接時(shí)顯著。清潔侄用脈沖MIG焊接MAG/MIG?接，針對(duì)于焊絲直徑，焊接電流超過某個(gè) 電流值時(shí)，熔滴過渡由熔球過渡變?yōu)樯淞鬟^渡。此時(shí)的電 流稱為臨界電流。MIG焊接的優(yōu)缺點(diǎn):在臨界電流以下的電流領(lǐng)域，成為小顆粒過渡。使焊 接電流波形變成脈沖狀、脈沖電流的峰值在臨界電流以上、 平均電流在臨界電流以下。這樣，禾I用射流過渡可以焊接 比較薄的薄板，從而減少飛濺、美化焊縫外觀、實(shí)現(xiàn)比TIG 焊接更高效率的焊接?？珊附覣l、SUS Cu等在有風(fēng)處使用困難咼速焊

14、接保護(hù)氣體貴可實(shí)現(xiàn)全方位焊接不適合極薄板不需要藥劑，飛濺少適用材質(zhì)：Al、SUS銅合金松下MIG焊機(jī)簡(jiǎn)介：YD-350GE2全數(shù)字控制，帶脈沖，焊接條件記憶存儲(chǔ)，數(shù)字通訊YD-350/500AG2-微電腦控制，帶脈沖，專家數(shù)據(jù)庫(kù)松下MIG焊機(jī)選購(gòu)指南母材材質(zhì)板厚（mm焊接方法焊絲直徑（）焊接電流 范圍（A）松下焊機(jī)型號(hào)奧氏體不銹鋼2.0-12MIG（實(shí)心焊絲）0.8/1.0/1.260-280YM-350AG2/GE22.0-50MIG（實(shí)心焊絲）1.2/1.4/1.680-420YM-500AG210-50MIG（實(shí)心焊絲）1.2260-420YM-500GR3/GM3/ER1/KA1/KR

15、2L5/KH2鋁及鋁合金1.5-12MIG1.260-300YM-350AG2/GE22.0-40MIG1.2/1.680-450YM-500AG28.0-40MIG1.2/1.6/2.0220-450YM-600KH2HGVK 冷）純銅（紫銅）2.0-40MIG1.2/1.680-500YM-500AG26.0-40MIG1.2/1.6140-600YM-600KH2HGVK 冷）硅青銅、鋁青銅0.4-4.0MIG釬焊0.8/0.9/1.080-180YM-200KR2/350KR2/GM3/GR3/1/KA1ER:/C注：1）焊接純銅（紫銅）時(shí)，焊前需預(yù)熱 400-600C2）焊接硅青銅、

16、鋁青銅時(shí)需配裝200KR2焊槍3）YM-600KH2HG水冷）焊鋁需換裝尼龍送絲軟管21世紀(jì)航天工業(yè)鋁合金焊接工藝技術(shù)展望摘要：簡(jiǎn)要回顧了航天工業(yè)鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，并對(duì)國(guó)內(nèi)外鋁合金在航天器上的應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述和分析。 介紹了鋁合金焊接技術(shù)的最新發(fā)展和應(yīng)用前景，其中包括變極性等離子焊、局部真空電子束焊、氣脈沖焊接技術(shù)、攪拌摩擦焊、焊接修復(fù)技術(shù)以及焊接工藝裕度和焊接結(jié)構(gòu)安全評(píng)定技術(shù)。關(guān)鍵詞：鋁合金；焊接；航天1冃U言鋁合金不但具有高的比強(qiáng)度、比模量、斷裂韌度、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕穩(wěn)定性，同時(shí)還具有良好的成形工藝性和良好的焊接性，因此成為在航天工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材 料。例如，鋁合金

17、是運(yùn)載火箭及各種航天器的主要結(jié)構(gòu)材料。美國(guó)的阿波羅飛船的指揮艙、登月艙，航天飛機(jī)氫氧推進(jìn)劑貯箱、 乘務(wù)員艙等也都采用了鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料。 我國(guó)研制的各 種大型運(yùn)載火箭亦廣泛選用了鋁合金作為主要結(jié)構(gòu)材料。航天工業(yè)鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用與材料的發(fā)展有著密切的聯(lián)系，本文將簡(jiǎn)要回顧航天工業(yè)鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展并介紹幾種極有應(yīng)用前景的鋁合金焊接工藝技術(shù)。2鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展2.1 LD10CS 鋁合金焊接回顧早期的一些導(dǎo)彈和遠(yuǎn)程運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑貯箱結(jié)構(gòu)材料主要采用Al Mg系列合金，特別是退火和半冷作硬化狀態(tài)的LF3、LF6防銹鋁的應(yīng)用最為普遍。這兩種鋁合金都具有優(yōu)良的焊接性能1。隨著航天技術(shù)的

18、發(fā)展， 運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑貯箱結(jié)構(gòu)材料，從使用非熱處理強(qiáng)化的防銹鋁，轉(zhuǎn)變到使用可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)度鋁合金。LD10CS合金已在多種大型運(yùn)載火箭和固體導(dǎo)彈上獲得成功的應(yīng)用。由于它的超低溫性能較好，因此在三子級(jí)的液氫、液氧推進(jìn)劑貯箱上也獲 得了應(yīng)用。需要指出的是LD10合金的焊接性能較差， 焊接時(shí)形成熱裂紋的傾向較大，對(duì)焊接過程中的各種因素也比較敏感， 焊接接頭的斷裂韌度較低，特別是當(dāng)焊縫部位存在焊接缺陷時(shí)，液壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)件經(jīng)常發(fā)生低壓爆破。20世紀(jì)70年代，在研制LD10合金火箭推進(jìn)劑貯箱初期， 在焊接工藝方面曾遇到了極大的 困難。在 三結(jié)合攻關(guān)中發(fā)明的 兩面三層焊”工藝（正面打底、蓋面，背面

19、清根封焊）使焊 接接頭性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在LD10焊接生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)得出：如果焊接接頭區(qū)的延伸率 不小于3%，則焊接接頭的塑性可以滿足使用要求。在此后的許多年中，一直以延伸率不小于3%作為一個(gè)重要的驗(yàn)收指標(biāo)。幾十年來(lái)，焊接工藝主要是氬弧焊（TIG），包括手工氬弧焊和自動(dòng)氬弧焊。從焊接工藝方面看，為了減少焊接結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力和變形，通常在焊接工藝選擇上都盡量減少焊接熱輸入量。特別是對(duì)于熱處理強(qiáng)化鋁合金，由于焊接熱過程的作用，在焊接熱影響區(qū)存在軟化區(qū)，塑性較好，強(qiáng)度較低。焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)為0.50.7。為什么LD10CS貯箱采用兩面三層焊工藝？理論分析和實(shí)踐結(jié)果表明，若不采用此焊接方 法，就會(huì)

20、造成LD10CS鋁合金焊接接頭塑性較差，且焊縫背面焊趾處易出現(xiàn)裂紋。兩面三 層焊時(shí)，清根和封底焊可消除此種裂紋。同時(shí)由于熱輸入量較大，熱影響區(qū)發(fā)生不同程度的退火或過時(shí)效，使硬度降低，塑性提高，焊接拉伸試樣斷裂的位置是焊接軟化區(qū)。這樣在結(jié)構(gòu)中，焊接接頭在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下以軟化區(qū)的塑性和變形補(bǔ)償了熔合區(qū)塑性的不足。但貯箱焊縫補(bǔ)焊后，有時(shí)仍發(fā)生低壓爆破。由于兩面焊的特殊要求， 限制了自動(dòng)焊及焊接新技術(shù) （如真空電子束焊、變極性等離子焊等） 的應(yīng)用。這是因?yàn)?，氬弧焊焊接熱輸入量比高能束的真空電子束焊要大，同時(shí)考慮到焊接接頭的結(jié)構(gòu)承載適應(yīng)能力， 難以應(yīng)用焊接熱輸入較為集中的焊接新技術(shù)， 制約了焊接新技術(shù)

21、的 應(yīng)用。在焊接生產(chǎn)中，鋁合金焊縫內(nèi)常見的缺陷為焊縫氣孔。氫是鋁及其合金熔焊時(shí)產(chǎn)生氣孔的主要原因?；w金屬中含氫量、焊絲及基體金屬表面氧化膜吸附的水分以及弧柱氣氛中的水分 都是焊縫氣孔中氫的重要來(lái)源。航天焊接工作者經(jīng)過不懈的攻關(guān)和努力保證了航天焊接產(chǎn)品 的交付和發(fā)射成功。但是，由于諸多因素和條件的限制， 在生產(chǎn)中個(gè)別貯箱仍存在氣孔超差。在焊接材料方面，國(guó)外使用的是焊接專用板材，基體金屬的氫含量小于2X10-7 。而國(guó)內(nèi)鋁合金板材制造技術(shù)條件中尚無(wú)對(duì)氫含量的要求。2.2鋁合金2219和鋁鋰合金焊接概述2219高強(qiáng)鋁合金的突出特點(diǎn)是焊接性能好，從-253 C到+200 C均具有良好的力學(xué)性能、抗應(yīng)

22、力腐蝕性能，對(duì)焊接熱裂紋的敏感性較低，焊接接頭塑性及低溫韌性較好。在美國(guó)已作為推進(jìn)劑貯箱的主要結(jié)構(gòu)材料，美國(guó)土星V號(hào)I級(jí)貯箱等均采用了2219鋁合金。前蘇聯(lián)在能源號(hào)和暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)均大量采用了1201 (相當(dāng)于2219 )鋁合金。國(guó)內(nèi)研制的S147鋁合金與2219鋁合金相類似，生成焊接裂紋的傾向性較低，但生成氣孔的敏感性較強(qiáng)，尤其是熔合區(qū)、密集的微氣孔是影響焊接接頭性能的主要缺陷。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋁合金的強(qiáng)度和減重提出了更高的要求，鋁鋰合金在近幾十年得到了迅猛的發(fā)展。因?yàn)槊考尤?%Li，可使鋁合金質(zhì)量減輕 3%，彈性模量提高6%，比彈性模量增加9% ,這種合金與在飛機(jī)產(chǎn)品上普遍使用的2

23、024和7075合金相比，密度下降7%11% ,彈性模量提高12%18%。前蘇聯(lián)的1420合金與廣泛使用的杜拉鋁(硬鋁)幾16(2024) 合金相比，密度下降12%，彈性模量提高6%8%，抗腐蝕性好，疲勞裂紋擴(kuò)展速率低， 強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率相近、焊接性較好2丨。前蘇聯(lián)航空材料研究所 (BHAM ) H . H pugj等人于i 20p世紀(jì)60年代在發(fā)明了 Al MgLi系的1420合金不久，就對(duì)該合金的焊接開展了研究。70年代對(duì)該合金的焊接研究已經(jīng)取得了成果，他們認(rèn)為這種合金氬弧焊時(shí)，可采用AM r6 AMr 6T和1557焊絲，焊接接頭的強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到0.7以上。焊前、焊后熱處理對(duì)焊接接頭

24、強(qiáng)度有很大的影響，淬火狀態(tài)下焊接的接頭強(qiáng)度比淬火及人工時(shí)效狀態(tài)焊接的強(qiáng)度低78.5 MPa，焊后淬火及人工時(shí)效又可以使焊接接頭的強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到0.91.0。1980年1420合金被用于制造米格-29超音速戰(zhàn)斗機(jī)的焊接機(jī)身、油箱、座艙，這使飛機(jī)的重量明顯降低了24%。至今，1420合金已成功使用了 30多年，廣泛用于軍用、民用飛機(jī)和火箭上3。20世紀(jì)80年代俄羅斯研制了高強(qiáng)度、高模量的1460 (Al Cu Li)合金，這種合金由于加入了 Sc元素強(qiáng)化，使晶粒和亞晶結(jié)構(gòu)變化，拉伸強(qiáng)度提高3050 MPa，焊接性能明顯改善。1460合金焊接工藝與1420合金基本相同，可采用1201 (Al Cu M

25、n )合金焊絲焊接，也可在焊絲中添加鈧 (Sc)元素。在對(duì)多種成分比較試驗(yàn)后，推薦應(yīng)用CB-1207或CB-1217焊絲，這種焊絲的成分是在AL Cu基礎(chǔ)上添加Cu、Sc、Zr、Ti等，具體成分有待于進(jìn)一步了解。應(yīng)用此種焊絲可以顯著地降低焊縫熱裂紋敏感性，氬弧焊焊接接頭強(qiáng)度大于250 MPa，焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)大于0.5，焊后熱處理焊接接頭的強(qiáng)度、硬度增加。48這種焊絲可以保證無(wú)裂紋和細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的接頭，合理的選擇焊接工藝和焊前準(zhǔn)備可得到無(wú)氣孔的焊接接頭。美國(guó)發(fā)現(xiàn)者號(hào)航天飛機(jī)的外貯箱采用了2195 (AlCu Li Mg )高強(qiáng)鋁鋰合金，取代原來(lái)使用了 2540年的2219合金。新設(shè)計(jì)的貯箱 SL

26、WT(Super Light Weight Tank 超輕 重量貯箱），比原來(lái)的貯箱減重 5%，即3 405 kg，其中LH2箱減重1 907 kg、LO2箱減重 736 kg，箱間段減重341 kg，其他減重422 kg。每減輕1 kg質(zhì)量可以增加1 kg有效載荷， 這樣就增加3 405 kg的有效載荷。美國(guó)總共生產(chǎn)120臺(tái)SLWT，完成全部航天飛行計(jì)劃9 - 10。2195-T8合金的貯箱采用 4043焊絲，變極性等離子弧焊（VPPA）焊接。VPPA具有高的電弧溫度、高的電弧電壓和更集中的熱量。VPPA焊接2195-T8鋁鋰合金的關(guān)鍵是焊縫背面保護(hù)，鋁鋰合金含有活潑的Li元素，如焊接時(shí)背面

27、保護(hù)不好，極易氧化。馬歇爾飛行中心研制出長(zhǎng)229 mm、寬25.4 mm、高152 mm的不銹鋼 保護(hù)盒” 保護(hù)盒在焊接時(shí)隨焊槍 行走，使焊縫區(qū)域氧氣少于0.5%。另外，研制了直徑 51 mm、長(zhǎng)229 mm的不銹鋼管裝在工件背面，焊接時(shí)隨焊槍移動(dòng)，也可有效保護(hù)背面焊縫。如果這兩種保護(hù)裝置同時(shí)使用，效 果更好。3極具前途的幾種工藝技術(shù)3.1變極性等離子弧焊接技術(shù)（VPPA ）1978年，美國(guó)NASA宇航局馬歇爾宇航中心決定變極性等離子弧焊技術(shù)部分取代鎢極氬弧焊工藝焊接航天飛機(jī)外貯箱。航天飛機(jī)外貯箱材料為 2219鋁合金，共焊接了 6400 m焊縫，經(jīng)100% X射線檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)任何內(nèi)部缺陷，焊

28、縫質(zhì)量比TIG多層焊明顯提高。變極性等離子焊接技術(shù)用于鋁合金焊接，單道焊接鋁合金厚度可達(dá)25.4 mm。其工藝特點(diǎn)是在焊接過程中，在焊接熔池中心存在一穿透的小孔，而且在實(shí)際生產(chǎn)中通常采用立向上焊工藝，既有利于焊縫的正面成形，又有利于熔池中氫的逸出，減少氣孔缺陷。因此被稱為 零缺陷焊接”。八五”期間，在引進(jìn)國(guó)外某公司的變極性等離子焊接系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了LF6、LD10鋁合金平板（厚 3 mm、6 mm、10 mm ）焊接工藝試驗(yàn)11。九五”期間，與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開展了變極性等離子焊接技術(shù)研究，研制了變極性等離子焊接設(shè)備樣機(jī)，并進(jìn)行了LF6和LD10鋁合金板材（厚 3 mm、5 mm、12

29、mm ）焊接工藝試驗(yàn)，完成了帶有縱縫和環(huán)縫的貯箱模擬件焊接，解決了環(huán)縫焊接時(shí)起弧打孔和收弧填孔及焊縫首尾相接的難題，焊接模擬件通過了液壓試驗(yàn)，將變極性等離子焊接技術(shù)的工程應(yīng)用 向前推進(jìn)了一大步。隨著2219鋁合金和2195鋁鋰合金的應(yīng)用，在未來(lái)中厚度的大型貯箱焊接生產(chǎn)中，變極性 等離子焊接技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。3.2局部真空電子束焊接技術(shù)由于真空電子束焊接工藝是將被焊工件置于真空環(huán)境中進(jìn)行焊接，因此可以得到優(yōu)質(zhì)的焊縫。同時(shí)，電子束高的能量密度使焊縫較窄，深寬比大，焊接應(yīng)力和變形較小，在工業(yè)各領(lǐng) 域尤其是國(guó)防工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但對(duì)于一些大型構(gòu)件如運(yùn)載火箭貯箱殼體等，如果采用真空電子束焊接

30、工藝， 則需要較大的真空室，其容積可達(dá)數(shù)百立方米，這種電子束焊接設(shè)備造價(jià)很高。為了解決這一問題， 國(guó)外開始設(shè)計(jì)和應(yīng)用局部真空電子束焊接設(shè)備，不是將被焊工件整體放入真空室， 而是在焊縫局部建立真空環(huán)境，從而完成焊接。前蘇聯(lián)將局部真空電子束焊接技術(shù)應(yīng)用于不同類型和尺寸火箭燃料貯箱殼體的焊接，在殼體的縱縫、對(duì)接環(huán)縫及法蘭環(huán)縫焊接中，有7種類型焊縫（縱縫、對(duì)接環(huán)縫、法蘭環(huán)縫）應(yīng)用局部真空電子束焊接工藝。20世紀(jì)90年代初已用于 2.5 m直徑殼體環(huán)縫焊接，能源號(hào)火箭貯箱縱縫采用局部真空電子束焊接工藝，壁厚為42 mm，局部密封采用磁流體密封、橡膠圈密封等技術(shù)。國(guó)內(nèi)在 九五”期間，與中科院電工所合作研制

31、了國(guó)內(nèi)第1臺(tái)法蘭環(huán)縫局部真空電子束焊機(jī)（專利號(hào)：ZL002631776.6） 12。電子槍與上真空室采用動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，工件與上、下真空室間為靜密封結(jié)構(gòu)。焊接時(shí)電子槍可以實(shí)現(xiàn)極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。電子槍徑向移動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 光柵尺檢測(cè)位移；圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)通過交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，光碼盤檢測(cè)器角位移。二次電子焊縫對(duì)中系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)焊縫軌跡示教。采用兩級(jí)微機(jī)控制，可編程序控制器（PLC ）控制焊接參數(shù)可實(shí)現(xiàn)柔性焊接，即可焊接100300 mm直徑的法蘭環(huán)縫。局部真空室的真空度達(dá)到5X10-3Pa,高于國(guó)外同類產(chǎn)品水平。在未來(lái)的2219鋁合金和2195鋁鋰合金航天器厚壁結(jié)構(gòu)中，特別對(duì)于焊接殘余應(yīng)力和變形 要求較高的

32、法蘭環(huán)縫焊接生產(chǎn)中， 局部真空電子束焊接技術(shù)應(yīng)用對(duì)焊接質(zhì)量的提高有著極為 重要的意義。3.3氣脈沖TIG和MIG焊接技術(shù)在航天工業(yè)中，鋁合金焊接中應(yīng)用較廣的TIG和MIG工藝，保護(hù)氣體采用氬氣和氦氣，其中以氬氣應(yīng)用較多。就TIG焊而言，有交流氬弧焊和直流正接氦弧焊兩種工藝。氦（ He ）和氬（Ar）相比，其 最小電離能高，在其它條件和參數(shù)相同時(shí)，電弧電壓較高。因此，氦弧焊電弧溫度高，焊接 熱輸入量大，也具有更高的能量密度，與氬弧焊相比熔深較大，焊接缺陷特別是焊接氣孔較少。據(jù)資料介紹，由于直流正接氦弧焊沒有交流氬弧焊陰極霧化去除氧化膜的作用，氧化膜的破壞程度取決于電弧長(zhǎng)度的大小，故直流正接氦弧焊

33、采用短弧焊去除氧化膜。這樣使得焊接時(shí)填絲變得較為困難，加上設(shè)備等因素的制約，直流正接氦弧焊一直未大面積推廣應(yīng)用。為了利用氦氣電弧熱高的優(yōu)點(diǎn)并避免純氦帶來(lái)的缺點(diǎn)，國(guó)外采用氣脈沖Ar+He TIG和MIG焊接技術(shù)焊接鋁合金，可大大減少焊接氣孔。借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，近幾年開始進(jìn)行氣脈沖TIG焊接技術(shù)研究，初步試驗(yàn)表明，采用氣脈沖（Ar+He）TIG焊接工藝焊接S147鋁合金抑制焊接氣孔方面有明顯的效果。不開坡口可一 次焊透7 mm平板，且表面光澤與氬弧焊相同，避免直流正接氦弧焊焊縫表面發(fā)暗。焊接工藝性、可操作性也與氬弧焊無(wú)異，弧長(zhǎng)也無(wú)特別限制。 這對(duì)于未來(lái)型號(hào)將應(yīng)用對(duì)氣孔較敏感的S147鋁合金和2195

34、鋁鋰合金有極大的應(yīng)用價(jià)值。3.4攪拌摩擦焊技術(shù)宇航工業(yè)飛行器結(jié)構(gòu)大量使用鋁合金，由于某些材料熔焊焊接性不良不得不采用鉚接結(jié)構(gòu)。英國(guó)焊接研究所（TWI）1991年發(fā)明的攪拌摩擦焊為此類材料連接提供了一個(gè)新思路13。由于此方法屬于固相焊，特別適合應(yīng)用于熔化焊接性差的有色金屬。相對(duì)于熔化焊接方法，不會(huì)產(chǎn)生與熔化有關(guān)的焊接缺陷，如熱裂紋和氣孔。但由于方法的限制， 其應(yīng)用僅限于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的工件。攪拌摩擦焊的原理是，利用摩擦發(fā)生的熱，在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭特形指棒周圍的金屬迅速被加熱，并形成了很薄的熱塑性金屬層。隨著攪拌頭的移動(dòng)形成了攪拌摩擦焊的焊縫。目前，已成功地進(jìn)行了攪拌摩擦焊研究的鋁合金包括：2000系列

35、（Al Cu ）、5000系列（AlMg ）、6000 系列（Al Mg Si）、7000 系列（Al Zn ）、8000 系列（Al Li）。美國(guó)波普公司的空間防御實(shí)驗(yàn)室在1998年將此技術(shù)用于火箭某些部件焊接。目前，ESAB公司正在制造可供商業(yè)應(yīng)用的攪拌摩擦焊機(jī)，計(jì)劃于2002年安裝在TWI，用來(lái)焊接尺寸為8mx 5 m的工件，預(yù)計(jì)可焊接的工件厚度為1.518 mm。國(guó)內(nèi)某些院校和研究所也開始了這方面的研究工作，有理由相信，國(guó)內(nèi)最具備攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用前景的將是航天工業(yè)。3.5焊接修補(bǔ)技術(shù)鋁合金結(jié)構(gòu)件的焊接修補(bǔ)是航天器在生產(chǎn)和使用中不可避免地會(huì)遇到的問題。在焊接生產(chǎn)中，由于材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備

36、、工藝及環(huán)境條件等方面的偶然因素，在焊后會(huì)發(fā)現(xiàn)焊縫中存在超出標(biāo)準(zhǔn)的焊接缺陷，這就需要補(bǔ)焊。傳統(tǒng)的手工TIG焊方法雖然操作簡(jiǎn)便、易行，但由于局部焊接熱輸入量較大，可能產(chǎn)生晶粒長(zhǎng)大， 局部韌性降低，同時(shí)在補(bǔ)焊部位引起較大的殘余應(yīng)力，往往成為 低壓爆破”的裂源。另一方面，未來(lái)可重復(fù)使用運(yùn)載器， 在重復(fù)使用后，可能在某些構(gòu)件局部出現(xiàn)裂紋等缺陷，需要進(jìn)行焊接修補(bǔ)，此時(shí)在運(yùn)載器外部覆有絕熱材料，對(duì)溫升有極嚴(yán)格的要求，必須采取熱輸量集中而且較小的焊接工藝。1995年英國(guó)劍橋焊接研究所發(fā)明摩擦塞焊技術(shù)14，洛馬公司和國(guó)家宇航局馬歇爾飛行中心進(jìn)行了補(bǔ)焊工藝研究，2000年已用于外貯箱焊接修補(bǔ)。這是一種新的焊接修

37、補(bǔ)技術(shù)，在焊縫缺陷位置，鉆一楔形孔，將一個(gè)與孔的形狀相類似的楔形旋轉(zhuǎn)塞插入孔內(nèi)，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)完整的楔形塞與孔表面摩擦生熱而實(shí)現(xiàn)焊接。焊接參數(shù)包括塞的直徑、旋轉(zhuǎn)速度、施加的壓力和塞的位移。它不同于熔焊修補(bǔ)，在缺陷去掉之前，要反復(fù)打磨和填充，焊接修補(bǔ)比通常的TIG熔焊修補(bǔ)強(qiáng)度高20%，改善了補(bǔ)焊部位的力學(xué)性能，而且不易產(chǎn)生焊接缺陷。采 用這種修補(bǔ)工藝還可大大減少修補(bǔ)時(shí)間，降低成本。此外，也有人提出激光補(bǔ)焊的設(shè)想。鋁合金激光焊的難點(diǎn)在于鋁合金對(duì)CO 2激光束（波長(zhǎng)為10.6 ym）極高的表面初始反射率 （超過90%以上），對(duì)YAG激光束（波長(zhǎng)為1.06 m） 反射率接近80%。而且，鋁合金激光束還易產(chǎn)生氣孔。這些問題都有待于進(jìn)行深入的研究 工作。3.6焊接工藝和焊接結(jié)構(gòu)安全評(píng)定技術(shù)由于航天產(chǎn)品的特殊性，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性極為重視。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展， 對(duì)航天