21世紀工業鋁合金焊接技術展望。
簡要回顧了工業鋁合金焊接技術的發展，並對國內外鋁合金在航天器上的應用進行了總結和分析。介紹了鋁合金焊接技術的最新發展和應用前景，包括變極性等離子焊接、局部真空電子束焊接、氣體脈沖焊接、攪拌摩擦焊、焊接修復技術、焊接工藝裕度和焊接結構安全評估技術。
關鍵詞:鋁合金；焊接；宇宙空間
1之前
鋁合金不僅具有較高的比強度、比模量、斷裂韌性、疲勞強度和耐腐蝕穩定性，而且具有良好的成形工藝和焊接性，因此成為航空航天工業中應用最廣泛的有色金屬結構材料。
例如，鋁合金是運載火箭和各種航天器的主要結構材料。美國阿波羅飛船的指令艙、登月艙、氫氧推進劑貯箱和乘員艙也采用鋁合金作為結構材料。鋁合金也廣泛用作我國研制的各種大型運載火箭的主要結構材料。
航空航天工業鋁合金焊接技術的發展和應用與材料的發展密切相關。本文將簡要回顧航天工業鋁合金焊接技術的發展，並介紹幾種極具應用前景的鋁合金焊接技術。
2鋁合金焊接技術的發展
2.1 LD10CS鋁合金焊接綜述
壹些早期導彈和遠程運載火箭的推進劑貯箱結構材料主要采用al？Mg系列合金，特別是退火和半冷加工硬化狀態的LF3和LF6防銹鋁，被廣泛使用。兩種鋁合金都具有優異的可焊性[1]。？
隨著航天技術的發展，運載火箭推進劑貯箱的結構材料已由非熱處理強化的防銹鋁轉變為熱處理強化的高強度鋁合金。LD10CS合金已成功應用於多種大型運載火箭和固體導彈。由於其優異的超低溫性能，在三級液氫和液氧推進劑貯箱中也得到了應用。
需要指出的是，LD10合金的可焊性較差，焊接時形成熱裂紋的傾向較大，而且對焊接過程中的各種因素也比較敏感，焊接接頭的斷裂韌性較低，特別是當焊縫中存在焊接缺陷時，試件在水壓強度試驗時常發生低壓爆炸。
20世紀70年代，在研制LD10合金火箭推進劑貯箱的初期，焊接技術遇到了很大的困難。在“三合壹”研究中發明的“雙面三層焊”工藝(正面打底、蓋面、背面清根、封焊)，使焊接接頭性能達到設計要求。在LD10的焊接生產實踐中，得出如果焊接接頭區域伸長率不小於3%，焊接接頭的塑性就能滿足使用要求。在隨後的幾年裏，“伸長率不小於3%”壹直被作為壹個重要的驗收指標。？
幾十年來，焊接技術主要是氬弧焊(TIG)，包括手工和自動氬弧焊。從焊接工藝方面來說，為了減少焊接結構的焊接殘余應力和變形，通常在焊接工藝的選擇上盡可能減少焊接熱輸入。特別是熱處理強化的鋁合金，由於焊接熱過程的影響，焊接熱影響區存在軟化區，塑性好，強度低。焊接接頭的強度系數為0.5 ~ 0.7。？
LD10CS罐體為什麽采用雙面三層焊接工藝？理論分析和實踐結果表明，如果不采用這種焊接方法，LD10CS鋁合金焊接接頭的塑性會較差，焊縫背面焊趾處容易出現裂紋。雙面三層焊接時，清根和封底焊可以消除這種裂紋。同時，由於大的熱輸入，熱影響區發生不同程度的退火或過時效，降低了硬度，提高了塑性。焊接拉伸試樣的斷裂位置是焊接軟化區。這樣，在結構中，軟化區的塑性和變形彌補了復雜應力狀態下熔合區塑性的不足。但儲罐焊縫修復後，有時仍會發生低壓爆破。
由於雙面焊接的特殊要求，自動焊和新焊接技術(如真空電子束焊、變極性等離子焊等)的應用。)有限。這是因為氬弧焊的焊接熱輸入大於高能束真空電子束焊，且考慮到焊接接頭的結構受力適應性，焊接熱輸入集中的焊接新技術難以應用，制約了焊接新技術的應用。？
在焊接生產中，鋁合金焊縫常見的缺陷是焊縫氣孔。氫是鋁及其合金熔焊過程中產生氣孔的主要原因。母材中的氫含量、焊絲和母材表面氧化膜吸收的水分、弧柱氣氛中的水分都是焊縫氣孔中氫的重要來源。航天焊接工作者為確保航天焊接產品的順利交付和發射做出了不懈的努力。然而，由於多種因素和條件的影響，在生產中仍存在壹些超差氣孔。？
焊接材料方面，國外采用特殊的焊接板，母材氫含量小於2×10-7？。而國內鋁合金板材制造技術條件中並沒有對氫含量的要求。
2.2鋁合金2219與鋁鋰合金焊接概述
2219高強鋁合金的突出特點是可焊性好，在-253℃至+200℃範圍內具有良好的力學性能和抗應力腐蝕性能，對焊接熱裂紋敏感性低，焊接接頭具有良好的塑性和低溫韌性。在美國已經作為推進劑貯箱的主要結構材料，美國的土星V I貯箱采用了2219鋁合金。在前蘇聯，1201(相當於2219)鋁合金被廣泛用於航天飛機能源和暴雪。？
與2219鋁合金相似，我國研制的S147鋁合金產生焊接裂紋的傾向較低，但對產生氣孔有很強的敏感性，特別是在熔合區和密集的氣孔，它們是影響焊接接頭性能的主要缺陷。
隨著航空航天技術的發展，對鋁合金的強度和減薄量提出了更高的要求，鋁鋰合金近幾十年發展迅速。因為每加入1%李燦，鋁合金重量減少3%，彈性模量增加6%，比彈性模量增加9%。與飛機產品常用的2024、7075合金相比，該合金密度降低7% ~ 11%，彈性模量提高12% ~ 65475。前蘇聯的120合金與廣泛使用的硬鋁(硬鋁)д 16 (2024)合金相比，密度降低12%，彈性模量提高6% ~ 8%，耐蝕性好，疲勞裂紋擴展速率低，強度、屈服強度和伸長率相近，焊接性好[
前蘇聯航空材料研究所(виам) инридляндер等人在20世紀60年代發明了al。名爵？對Li系1420合金的焊接進行了研究。對這種合金焊接的研究在20世紀70年代取得了成果。他們認為AM可以用於這種合金的氬弧焊。г6、AM？用г6T和1557焊絲，焊接接頭強度系數達到0.7以上。焊前和焊後熱處理對焊接接頭的強度有很大影響。焊接接頭在淬火狀態下的強度比淬火和人工時效狀態下的強度低78.5 MPa，焊後淬火和人工時效可以使焊接接頭的強度系數達到0.9 ~ 1.0。1980 1420合金用於制造米格-29超音速戰鬥機的焊接機身、油箱和駕駛艙，使飛機重量大幅減輕24%。到目前為止，1420合金已經成功使用了30多年，廣泛應用於軍用和民用飛機和火箭[3]。
上世紀80年代，俄羅斯研制出1460(Al？Cu？Li)合金，該合金通過添加Sc元素強化，改變了晶粒和亞晶結構，抗拉強度提高30 ~ 50 MPa，焊接性明顯改善。1460合金的焊接工藝與1420合金基本相同，1201(Al？Cu？Mn)合金焊絲，鈧(Sc)元素也可以添加到焊絲中。各部件對比試驗後，推薦使用CB-1207或CB-1217焊絲，焊絲成分為AL？添加銅、鈧、鋯、鈦等。在Cu的基礎上，具體成分還需要進壹步了解。這種焊絲的應用可以顯著降低焊縫熱裂紋的敏感性。氬弧焊接頭強度大於250 MPa，焊接接頭強度系數大於0.5，焊後熱處理後焊接接頭強度和硬度提高。〔4~8〕?這種焊絲可以保證接頭無裂紋、晶粒細小，通過合理選擇焊接工藝和焊前準備，可以獲得無氣孔的焊接接頭。
美國發現號航天飛機的外貯箱采用了2195(Al？Cu？李？Mg)高強度鋁鋰合金，替代原來使用了25 ~ 40年的2219合金。新設計的SLWT(超輕型坦克)比原坦克輕5%，即3 405 kg，其中LH2坦克為1 907 kg，LO2坦克為736 kg，艙間段為341 kg，其他為422 kg。每減少1 kg重量，可增加有效載荷1 kg，從而增加有效載荷3 405 kg。美國生產了120 SLWT，完成了所有航天飛行計劃[9 ~ 10]。
2195-T8合金罐體采用4043焊絲和變極性等離子弧焊(VPPA)焊接。VPPA電弧溫度高，電弧電壓高，熱量更集中。VPPA焊接2195-T8鋁鋰合金的關鍵是焊縫的背面保護。鋁鋰合金中含有活性鋰元素，焊接時如果背面保護不好，容易被氧化。馬歇爾飛行中心研制了壹種長229 mm、寬25.4 mm、高152 mm的不銹鋼“保護箱”，焊接時“保護箱”隨焊槍行走，使焊縫區的氧小於0.5%。此外，還研制了直徑51 mm、長229 mm的不銹鋼管，安裝在工件背面，焊接時可隨焊槍移動，還能有效保護背面焊縫。如果同時使用這兩種保護裝置，效果更好。
3幾種有前途的技術
3.1變極性等離子弧焊接技術(VPPA)
1978年，美國國家航空航天局馬歇爾航天中心決定用變極性等離子弧焊接技術部分替代鎢極氬弧焊工藝焊接航天飛機的外貯箱。航天飛機的外貯箱采用2219鋁合金，焊接6400 m焊縫。經100% X射線檢測，未發現內部缺陷，焊縫質量較TIG多層焊有明顯提高。？
鋁合金焊接采用變極性等離子焊接技術，鋁合金單道厚度可達25.4 mm。其工藝特點是在焊接過程中，焊接熔池中心有壹個貫通的小孔，實際生產中通常采用立焊工藝，不僅有利於焊縫的前沿形成，而且有利於熔池中氫的逸出，減少氣孔缺陷。因此被稱為“零缺陷焊接”。？
八五期間，在引進國外某公司變極性等離子焊接系統的基礎上，進行了LF6、LD10鋁合金平板(厚度3 mm、6 mm、10 mm)的焊接工藝試驗[11]。？
“九五”期間與哈爾濱工業大學聯合開展了變極性等離子焊接技術研究，研制了變極性等離子焊接設備樣機。進行了LF6和LD10鋁合金板(厚度3 mm、5 mm、12 mm)的焊接工藝試驗，焊接了縱縫和環縫的罐體模擬件，解決了電弧打孔和電弧填孔以及焊縫首尾相接的問題。
隨著2219鋁合金和2195鋁鋰合金的應用，變極性等離子焊接技術在未來中厚大型儲罐的焊接生產中具有廣闊的應用前景。
3.2局部真空電子束焊接技術
因為真空電子束焊接工藝是在真空環境中焊接工件，所以可以獲得高質量的焊縫。同時，電子束的高能量密度使得焊縫窄，深寬比大，焊接應力和變形小，在各種工業領域，特別是國防工業中得到了廣泛的應用。
但對於壹些大型構件，如運載火箭的貯箱殼體，如果采用真空電子束焊接技術，則需要壹個體積數百立方米的大型真空室，這種電子束焊接設備非常昂貴。為了解決這壹問題，國外開始設計和應用局部真空電子束焊接設備。不是將整個工件放入真空室，而是在局部焊縫處建立真空環境來完成焊接。
前蘇聯將局部真空電子束焊接技術應用於不同類型和尺寸的火箭燃料箱殼體的焊接。在殼體的縱縫、對接環縫和法蘭環縫焊接中，采用了局部真空電子束焊接技術。90年代初用於φ2.5m直徑殼體的環縫焊接。能量火箭貯箱縱縫采用局部真空電子束焊接，壁厚42 mm，局部密封采用磁流體密封、橡膠圈密封等技術。？
“九五”期間，與中科院電工所合作研制了1國產局部真空電子束法蘭環縫焊機(專利號:ZL 002631776.6) [12]。電子槍和上真空室采用動態密封結構，工件和上、下真空室采用靜態密封結構。電子槍可以在焊接過程中實現極坐標移動。電子槍的徑向運動由步進電機驅動，位移由光柵尺檢測。圓周旋轉由交流伺服電機驅動，光碼盤檢測器角位移。采用二次電子焊縫對中系統實現焊縫軌跡示教。采用兩級微機控制，PLC控制焊接參數，即可實現柔性焊接，即焊接直徑為100 ~ 300mm的法蘭環縫。局部真空室真空度達到5×10-3Pa，高於國外同類產品。？
在未來2219鋁合金和2195鋁鋰合金航天器的厚壁結構中，特別是在對焊接殘余應力和變形要求較高的法蘭環縫焊接生產中，應用局部真空電子束焊接技術對提高焊接質量具有重要意義。
3.3氣體脈沖TIG和MIG焊接技術
在航空航天工業中，鋁合金焊接廣泛采用TIG和MIG工藝，采用氬氣和氦氣作為保護氣體，其中氬氣應用廣泛。
就TIG焊而言，有兩種工藝:交流氬弧焊和DC直接氦弧焊。與氬氣(Ar)相比，氦氣(He)的最小電離能更高，在其他條件和參數相同的情況下，電弧電壓更高。因此氦弧焊接電弧溫度高，焊接熱輸入大，能量密度較高。與氬弧焊相比，氦弧焊熔深更大，焊接缺陷更少，尤其是焊接氣孔。
根據資料，DC直接氦弧焊在交流氬弧焊中沒有陰極霧化去除氧化膜的作用，氧化膜的破壞程度取決於電弧的長度，所以DC直接氦弧焊采用短弧焊去除氧化膜。這使得焊接時填絲更加困難，而且由於設備等因素的限制，DC直接氦弧焊還沒有得到廣泛應用。
為了利用氦弧的高熱，避免純氦帶來的弊端，國外采用氣體脈沖Ar+He TIG和MIG焊接技術焊接鋁合金，可以大大減少焊接氣孔。？
借鑒國外經驗，近年來開始了氣體脈沖TIG焊接技術的研究。初步試驗表明，氣體脈沖(Ar+He)TIG焊接工藝對抑制鋁合金S147焊接氣孔有明顯效果。7 mm平板可壹次熔透，無坡口，表面光澤度與氬弧焊相同，避免DC直接氦弧焊焊縫表面發暗。焊接工藝和可操作性與氬弧焊相同，弧長沒有特別限制。這對未來車型應用對氣孔敏感的S147鋁合金和2195鋁鋰合金具有重要的應用價值。？
3.4攪拌摩擦焊技術
鋁合金廣泛應用於航空航天工業飛機結構中，由於某些材料的可焊性較差，不得不采用鉚接結構。焊接研究所(TWI)在1991發明的攪拌摩擦焊為這類材料的連接提供了新的思路[13]。由於這種方法屬於固相焊接，所以特別適用於熔化可焊性差的有色金屬。與熔焊方法相比，它不會產生與熔化有關的焊接缺陷，如熱裂紋和氣孔。但由於該方法的局限性，其應用僅限於結構簡單的工件。
攪拌摩擦焊的原理是利用摩擦產生的熱量對高速旋轉的攪拌頭異形指周圍的金屬進行快速加熱，形成壹層非常薄的熱塑性金屬層。隨著攪拌頭的移動，攪拌摩擦焊的焊縫形成。目前攪拌摩擦焊研究成功的鋁合金有: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，美國Pop公司太空防禦實驗室將該技術應用於部分火箭部件的焊接。目前，ESAB公司正在制造壹臺商用攪拌摩擦焊機，計劃於2002年安裝在TWI，用於焊接尺寸為8 m× 5 m的工件，預計可焊接的工件厚度為1.5 ~ 18 mm，國內壹些高校和科研院所也開始了這方面的研究工作，有理由相信，攪拌摩擦焊接技術在中國最有應用前景的將是航空航天工業。
3.5焊接修復技術
鋁合金結構件的焊接修復是航天器在生產和使用中必然會遇到的問題。在焊接生產中，由於材料、結構、設備、工藝、環境條件等偶然因素，焊接後會出現超標的焊接缺陷，需要補焊。傳統的手工TIG焊接方法雖然簡單易操作，但由於局部焊接熱輸入大，可能造成晶粒長大和局部韌性降低，同時在補焊部位造成較大的殘余應力，往往成為“低壓爆破”的裂紋源。另壹方面，未來可重復使用的運載火箭，在重復使用後可能會出現壹些部件出現裂紋等缺陷，需要通過焊接的方式進行修復。此時，運載火箭外部覆蓋有隔熱材料，對溫升有非常嚴格的要求，必須采用集中傳熱、小傳熱的焊接工藝。
摩擦塞焊技術【14】由英國劍橋焊接研究所於1995年發明。洛馬公司和美國國家航空航天局馬歇爾飛行中心對補焊技術進行了研究，並於2000年用於外部油箱的焊接修復。這是壹種新的焊接修復技術。在焊縫缺陷處鉆壹個楔形孔，在孔中插入壹個與孔形狀相似的楔形旋轉塞。高速旋轉時，完整的楔形塞與孔表面摩擦產生熱量，實現焊接。焊接參數包括塞子直徑、旋轉速度、施加的壓力和塞子位移。它不同於熔焊修補，熔焊修補需要反復打磨填充，才能去除缺陷。焊接修復的強度比普通TIG熔焊修復高20%，提高了修復部位的力學性能，不易產生焊接缺陷。修復過程還可以大大減少修復時間，降低成本。
此外，還有人提出了激光補焊的想法。鋁合金激光焊接的難點在於鋁合金對CO2激光束的影響(波長為10.6？微米)具有極高的初始表面反射率(90%以上)，YAG激光束(波長為1.06μm)的反射率接近80%。而且鋁合金激光束容易產生氣孔。這些問題需要進壹步研究。
3.6焊接工藝及焊接結構安全評估技術
由於航空航天產品的特殊性，非常註重產品質量和可靠性。隨著焊接技術的發展，對航天產品的焊接質量和可靠性不斷提出新的要求。在實際生產中，焊接工藝的質量不僅取決於能否完成目標結構的焊接，還取決於是否具有相對穩定的能力使焊接質量達到產品驗收標準。“可焊性”的概念回答了焊接能否實現的問題；上世紀90年代，航天焊工提出的“焊接工藝裕度”概念，回答了壹個焊接工藝是否能滿足焊接質量標準[15]的問題。換句話說，“焊接工藝裕度”的概念是焊接工藝評定的基礎。比如保證焊接質量的能力，可以按照焊接工藝裕度的評定方法進行評定，分為“合格工藝”、“限制工藝”和“禁止工藝”。當然，還是要進行必要的實驗工作來評價某個特定的工藝。首先，我們必須識別出影響焊接質量的關鍵因素，然後才能對這些因素進行綜合評價。
由於目前技術水平和生產條件的限制，僅通過焊後焊接接頭的無損檢測還不能全面評價焊接接頭的所有性能。在實際生產中，目前對鋁合金焊縫的檢測只有氣孔、夾雜、裂紋、未焊透等幾種缺陷，很難做到100%的檢測，尤其是角焊縫。即使對於鋁合金焊接中常見的氣孔缺陷，X射線的分辨率目前也只能檢測到0.2 mm以上的氣孔，而對接頭塑性影響較大的微小氣孔則不能完全判定。總之，焊接工藝仍然是決定焊接質量的直接因素，因此在生產中科學地評價焊接工藝的質量保證能力是非常必要的。
針對焊接結構的可靠性評估，近20年來焊接結構的安全性評估技術不斷發展。這裏只介紹“適合使用”原則的概念[16]。“適合使用”的原則是針對“完美”的原則。焊接結構發展初期，要求在制造和使用過程中不能有缺陷，即結構要完善，否則就要返修或報廢；後來擔任焊接研究所所長的埃德加·富克斯(Edgar Fuchs)通過大量實驗證明，即使鋁合金焊接接頭中存在壹定程度的氣孔，對接頭強度的影響也可能很小，而不必要的補焊會增加局部殘余應力，不利地改變顯微組織，導致使用性能下降。基於這項研究，焊接研究所首次提出了“適合使用”的概念。斷裂力學出現並廣泛應用後，這壹概念成為焊接結構長期研究的中心課題之壹，並逐漸發展成為壹個有明確定義的原則。在壹些國家，已經建立了適用於焊接結構設計、制造和驗收的“適合使用”原則的標準。
在“適合使用”的評價標準中，需要輸入載荷、裂紋狀缺陷、斷裂韌性等三個參數，安全性評價方法大致可分為斷裂力學法和結構試驗法。
4結論
鋁合金是航天產品的主要結構材料之壹。隨著材料技術的發展，鋁合金家族日益壯大。在美國和俄羅斯，2219，1201，1420鋁合金已被廣泛應用，2195鋁合金也有應用。在國內，S147和S 2195在未來航天型號中的應用前景不容忽視。載人航天和可重復使用的航天器對焊接結構的可靠性提出了更高的要求。隨著這壹工藝的出現，焊接新技術在航天焊接生產中的應用必將得到突飛猛進的發展，焊接自動化和高質量、高可靠性的保證將是21世紀對焊接技術的基本要求。特別是鋁合金板和厚板的焊接技術，將成為近年來航空航天焊接工作者的熱點之壹。
參加考試，貢獻力量
1材料技術。北京:航空航天出版社，1989。
第壹輛航天飛機超輕型坦克贈送給美國國家航空航天局。1998?01?16.電子郵件-98-7-14。？
3 DC-X演示關鍵機動。航空周暨展覽會。空間技術，1995？0717
4 Fridlyander I N等人高？低溫用高強度可焊1460合金。艾爾。李Conf。,6:1245~1250?
5 Ш алин Р Е, Е фремов и др И С.Опыт проектирования иизговления крупногабариттных конструций из алюминиево-литиевых сплавов изделий ракетно-космической техники.Св арочное Производство, 1996(11):14~18?
6 Дриц А М, Т В Крымова.Российский Высокопрочный Свариваемый Алюминиево-Литиевый Сплав Марки 1460.Цветный металлы, 1996(3):68~73?
7 Рязанев В И, Федосеев В А.Технология дуговой сварки алюминиевых сплавов с литием.Сварочное Производство, 1996(6):4~9 ?
8 Фридлядер И Н, Дриц А М, Крымова Т В.возможностьсозданиясвариваемых·системы·阿爾？Cu？李。МиТОМ, 1991(9):30~32?
9斯坦利W K .輕質鋁？基礎材料挑戰航空航天用非金屬材料。航空周暨展覽會。空間技術，1991？04?15: 57~60
10航天技術:走向21世紀。航天工程，199101。
11沈江紅等鋁合金板材變極性等離子弧焊接技術研究。航空航天材料技術，1997 (3)。
12劉誌華等。法蘭環縫局部真空電子束焊機的研制。航空航天材料技術，2001 (3): 52 ~ 56？
13湯唯等。攪拌摩擦焊及其在鋁合金連接中的應用。第九屆全國焊接會議論文集，1999: 529 ~ 532？
14航天飛機外貯箱摩擦塞焊修復。焊接與工程；金屬制造，2000？09:6~8?
15劉誌華等焊接工藝裕度及其在焊接質量保證中的應用。第47屆國際焊接年會會議錄，中國北京，1994。？
16霍。焊接結構安全評估技術的現狀與進展。第九屆全國焊接會議論文集，1999: 82 ~ 95。