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簡介

 

    航天材料及工藝研究所在1961年成立了焊接研究室,直至發展到今天的特種焊等焊接工藝和設備研究領域內積累了豐富的經驗,取得了突出的成果。同時,特種焊接事業部還主持航天焊接人員資格鑒定委員會和技能鑒定站的日常事業接部,是航天系統專業從事新材料可焊性評價研究、焊接方法及工藝研究、特種結構的焊接成形技術研究及生產的單位。在航天特種鋁合金焊絲、高溫合金焊絲和釬焊材料的研制,以及釬焊擴散焊、高能束焊接、氣體保護焊工作,負責航天產品焊接操作人員的資格鑒定與認證、航天焊工技能鑒定等。

    特種焊接事業部擁有國內先進的擴散焊接設備、真空釬焊爐、大型電子束焊接設備、高頻釬焊設備、激光焊接設備、弧焊設備等,同時配備完善的焊接質量分析檢測儀器。可根據用戶需求開發各類焊接結構制造技術,提供特種鋁合金焊絲以及新型焊材的研制。

 

一、航天特種鋁合金光亮焊絲

 

    特種焊接事業部緊密結合航天型號的發展,致力于航天特種鋁合金配用焊絲的研制生產。以航天型號需求為先導,以研制一流品質焊絲,滿足長征系列運載火箭和衛星鋁合金焊接結構高可靠性為目標,立足自主研發,研制的BJ-380A、5B06、2325、5B09鋁焊絲已應用于長征火箭和衛星鋁合金貯箱、管路、殼段等結構的焊接。航天特種鋁合金光亮焊絲嚴格控制氫含量,最大程度降低了焊絲雜質含量,有效抑制了焊縫中夾雜、氣孔等缺陷產生。
特種焊接事業部長期從事鋁合金材料可焊性評價,可根據用戶提供的鋁合金母材牌號、使用環境及要求等(如高、低溫環境,強度及塑性要求等),為用戶選擇合適的鋁合金焊絲。
 

          

 

1.1 焊絲牌號

BJ-380A:專為長征系列運載火箭2A14高強度鋁合金貯箱的焊接而研制的焊絲。亦適用于2A12、2A16鋁合金的焊接。與ER4043焊絲相比,具有更好的抗結晶裂紋及液化裂紋的能力;同時焊接接頭具有較好的韌性,優良的常、低溫力學性能。
 
5B06:專為長征系列運載火箭、衛星5A06鋁合金貯箱、密封艙體及管路焊接而研制的焊絲。適用于5xxx系列鋁合金的焊接。與ER5356鋁焊絲相比,Mg及微量元素含量提高,使其具有更好的抗焊接裂紋的能力,并能有效降低焊縫中氧化物夾雜的傾向、細化焊縫組織,形成焊接接頭強度可達到母材強度的90%以上。
 
2325:專為新型運載火箭2219鋁合金貯箱焊接而研制的焊絲,與ER2319焊絲相比,該焊絲中的合金元素能使焊縫金屬在補焊或多層焊時產生時效強化效果——原焊縫金屬中析出大量彌散的強化相,補焊后接頭強度不降低。特別適用于2219鋁合金不同厚度結構及壓力容器焊接。
 
5B09:針對未來運載火箭、衛星新型鋁鈧合金貯箱焊接而研制的焊絲。鋁鈧合金母材強度420-460MPa(與鋁銅合金相當),采用5B09焊絲,接頭強度可達到母材強度的90%以上,屈服強度可達到母材強度的50%以上。焊絲成分中添加了微量元素,有效提高了焊縫抗焊接裂紋的能力,并能顯著細化焊縫組織。
 
1.2 使用說明:
 
產品采用真空包裝,出廠包裝密封條件下保存期限為二年,拆去包裝在通常大氣環境下保存期限為三個月
產品應置于通風、干燥處存放
產品在運輸過程中應避免磕碰,以免影響焊絲質量
對超過保存期的焊絲,建議在焊接前進行焊絲清理
 
1.3 焊絲性能
 
(1)BJ-380A鋁合金光亮焊絲性能
 
BJ-380A光亮焊絲/2A14鋁合金弧焊接頭性能(數據僅供參考)
 

 

 

2325光亮焊絲/ 2219鋁合金弧焊接頭補焊性能提高原因分析
 
鋁合金焊接補焊時,一般會引起接頭性能不同程度的下降,但2325光亮焊絲/2219鋁合金弧焊接頭補焊后接頭性能不降,出現異常情況。進口ER2319光亮焊絲/2219鋁合金弧焊接頭補焊后接頭強度略有降低,屬正常情況。
 

     原因分析——回火強化固溶于鋁中的Mn、Cr、Zr等元素,在結晶時即使在比較緩慢的冷卻速度下也很難析出,必須在再次加熱時才析出,析出物呈點狀,是Mn或Cr和鋁及其它元素的化合物,其分布狀態對合金性能影響很大,成為有些合金彌散強化的主要相,冶金學上稱之為回火強化效應。我所研制的2325焊絲屬Al-Cu-Mn-Ti-Zr-V-Cr系合金,焊縫金屬中存在Mn、Cr、Zr等元素,對于2325光亮焊絲/2219鋁合金補焊接頭,補焊焊縫對原焊縫施加焊接熱循環處理,使焊縫金屬中的過飽和固溶體發生分解,在晶內析出強化相,呈彌散分布,可較明顯提高接頭性能,即發生了回火強化效應。這一現象暫稱為焊接熱循環回火強化。 下圖分別為我所研制的2325光亮焊絲/2219鋁合金未補焊接頭和補焊接頭組織,對比補焊前后的組織可知,補焊前幾乎看不到析出物,補焊后發現大量彌散分布的晶內析出物,呈點狀分布,證實了我所研制的2325光亮焊絲/2219鋁合金補焊接頭中發生了焊接熱循環回火強化。

 

 

 

分析認為,我所研制的2325光亮焊絲/2219鋁合金接頭補焊強化的機理為焊接熱循環回火強化。

 

焊接熱循環回火強化是2325光亮焊絲/2219鋁合金接頭補焊強化的關鍵,采用其它焊絲焊接2219鋁合金是否也會實現焊接熱循環回火強化,為回答這一問題,選用國外進口的ER2319焊絲進行焊接,研究ER2319光亮焊絲/2219鋁合金接頭一次補焊的性能,進行比對試驗。

 

    下表為ER2319光亮焊絲/2219鋁合金一次補焊接頭的力學性能,由表可知,ER2319光亮焊絲/2219鋁合金一次補焊接頭拉伸強度有所下降,延伸率有所提高。補焊前后的組織見圖,由圖可知,采用進口ER2319焊絲焊接和補焊后,晶粒有所長大,未發現明顯的析出物,表現為拉伸強度有所下降,延伸率有所提高。由此說明,采用進口ER2319焊絲焊接2219鋁合金不能實現焊接熱循環時效。

 

 

 

 

             

 

 

焊后熱處理可形成析出物,但在新一代運載火箭貯箱生產條件下,不能進行焊后熱處理,只能以焊后態使用,可見為提高補焊接頭力學性能,實現焊接熱循環時效有重要意義。

 

 

2、航天鋁合金焊絲的發展現狀和未來展望

2.1、前言

 

鋁合金具有比強度較高、制造工藝性好、成本低的特點,是航天產品的首選結構材料。運載火箭貯箱、衛星貯箱等采用鋁合金焊接而成。鋁合金焊絲是鋁合金焊接所必需的填充材料,是決定焊縫質量的因素之一,在航天鋁合金焊接生產中占有重要地位。 

不同的鋁合金需要有不同的配用焊絲,我國航天常用鋁合金及其配用焊絲的對應關系見表1。主要的航天鋁合金焊絲有BJ-380系列和5B06焊絲,用于運載火箭貯箱、衛星貯箱殼體的焊接生產。

        

 

 

 

 

BJ-380系列焊絲由BJ-380BJ-380ABJ-380B組成。BJ-380焊絲的焊接頭具有良好的常溫、低溫性能,基本解決了2A14合金的焊接難題。但BJ-380焊絲所焊焊縫存在存放裂紋問題,BJ-380A焊絲能解決存放裂紋問題,但BJ-380A焊絲的低溫性能較差,無法用于低溫貯箱焊接生產,為此,仍采用BJ-380焊絲焊接低溫貯箱,采用BJ-380A焊絲焊接常溫貯箱。在地面設備厚板2A14合金MIG焊接生產中采用適合于厚板2A14合金MIG焊接的BJ-380B焊絲。

 

本文對BJ-380系列和5B06焊絲的現狀進行總結,并對航天鋁合金焊絲發展方向進行展望。 

 

2.2現狀 

 

    1)生產現狀 

 

    鋁合金焊絲生產流程為:熔鑄扒皮擠壓拉拔(多次)退火(多次)油封(或表面光亮化)包裝。焊絲有兩種供貨方式:(1)以半硬狀態,表面油封供貨,焊前須酸洗;(2)以半硬狀態,光亮表面供貨,焊前不須酸洗。(主要的焊絲品種見表2。)

 

油封焊絲焊前必須酸洗,去除表面油污和氧化膜。一般適合于手工焊,用于自動焊時焊縫質量不易保證,易出現焊縫氣孔、焊接夾雜缺陷。酸洗焊絲表面從微觀看存在很多凹坑,附有腐蝕產物,易吸附水分,圖1為焊絲酸洗表面和光亮表面的照片圖,可明顯看出酸洗表面的不良狀況,而光亮表面則具有明顯優勢。酸洗焊絲手工焊時可利用刮削方法去除表面凹坑附著物以保證焊縫質量。自動焊時由于焊絲必須以盤狀安裝在焊機送絲機構上,酸洗后表面刮削非常困難,酸洗焊絲不推薦用于自動焊。光亮焊絲用于手工焊可省去焊前酸洗和刮削,更為方便。

 

    油封焊絲的保存期為長期,光亮焊絲的保存期一般為年,過期光亮焊絲可作為普通焊絲焊前酸洗使用。

 

                  

BJ-380焊絲由于TiZr含量超過在鋁中的理論固溶度,易產生TiZr偏析,焊絲生產成品率很低。BJ-380ABJ-380B5B06焊絲成分設計合理,焊絲生產成品率正常。油封時所有焊絲規格均以盤狀供貨,光亮焊絲Φ1.2、Φ1.6、Φ2.4以盤狀供貨,Φ3.0Φ4.0Φ5.0以直絲供貨。

 

 

 

2A14合金是目前我國運載火箭貯箱主體結構材料,配用焊絲共有三種,5A06合金用于部分貯箱主體結構材料,配用焊絲為5B06,應用情況見表3

 

     

 

BJ-380焊絲生產應用解決了2A14鋁合金焊接難題,是我國第一代航天鋁合金焊絲,保證了航天鋁合金焊接生產,但它也存在一些問題,主要表現為:(1)焊絲TiZr成分易偏析,焊絲合格率較低,TiZr偏析處可能引發焊接缺陷;(2)焊絲中易有夾雜物,導致焊縫表面發黑,出現臟物;(3)焊絲氫含量偏高,易出現焊縫氣孔。為改善BJ-380焊絲,研制了BJ-380ABJ-380B焊絲,目前生產應用較為穩定,BJ-380A焊絲焊接2A14合金時補焊處有時會出現焊接裂紋,這種裂紋為焊接液化裂紋,必須排除,否則會降低貯箱的可靠性。由于BJ-380焊絲所焊接頭的低溫性能優于BJ-380A焊絲所焊接頭性能,運載火箭低溫貯箱仍采用BJ-380焊絲。5B06焊絲應用最為穩定成熟,生產中出現的問題多為氣孔、夾雜。 

 

 

3.3、 展望 

 

為提高焊接質量,對現在成熟應用的焊絲,如5B06BJ-380ABJ-380B焊絲,工作重點應放在解決氫含量和夾雜物問題上,發展低氫高純焊絲。 

航天鋁合金焊接中最常見的焊接缺陷是焊縫氣孔,有資料顯示,焊縫氣孔缺陷占所有缺陷的70%以上,超標氣孔的補焊會帶來許多新的缺陷,如采用BJ-380A焊絲補焊2A14合金經常出現液化裂紋,可見控制焊縫氣孔的重要性。影響焊縫氣孔因素很多,除工藝因素、母材因素外,焊絲含氫量是一個重要因素,焊絲中的氫會直接進入熔池形成焊縫氣孔。為此,制造低氫焊絲非常重要,一般氫含量應控制在0.2ml/100g金屬以下

焊絲中的夾雜物會導致焊縫產生夾雜或焊縫表面產生臟物,嚴重影響焊接質量。焊絲生產標準中雖有低倍組織檢查控制夾雜物的要求,但實際工作中很難通過低倍組織檢查查出夾雜物。控制鋁合金焊絲夾雜物應控制鑄造和拔絲兩個環節,鑄錠質量決定焊絲質量,拔絲工藝不良也會導致外來物裹入焊絲中形成夾雜

現有鋁合金焊絲雖然存在諸多問題,但基本保證了現有型號焊接生產的需求。為了解決現在生產中存在的問題和滿足未來型號焊接生產的需要,航天鋁合金焊絲將在以下幾方面得到發展。

 

1  生產問題帶來的發展

BJ-380焊絲存在的問題目前嚴重困擾著型號生產,為解決這一問題,航天材料及工藝研究所新研制了一種適合于低溫貯箱焊接的焊絲,牌號為BJ-380C,以替代BJ-380焊絲。表4BJ-380CBJ-380焊絲所焊接頭的性能比較, BJ-380C焊絲具有良好的熔煉性、制絲工藝性、焊接工藝性、抗裂性、介質相容性,接頭力學性能和BJ-380焊絲相當,完全可以取代BJ-380焊絲。

      

 

2  自動焊帶來的發展 

 

焊接自動化程度在航天鋁合金產品焊接中越來越高,對焊絲的要求也相應提高。不僅要求焊絲的挺度(硬度)適合送絲要求,而且要求焊絲表面質量較高,不能是酸洗表面,應為光亮表面酸洗表面不僅會帶來腐蝕產物和水分造成夾雜和氣孔,而且送絲機構會局部刮削焊絲,形成刮削粉末阻塞送絲正常進行,中斷焊接過程。因此光亮焊絲將是航天鋁合金焊絲發展的重要方向。航天材料及工藝研究所在焊絲光亮化研究上做了較多工作,已能生產出BJ-380ABJ-380B5B06光亮焊絲,可以滿足航天焊接生產需求。 

 

3  新材料帶來的發展 

隨著航天新型號的發展,新型鋁合金材料將發揮重大作用。如新一代運載火箭擬采用2219鋁合金,天地往返運輸系統貯箱必將采用更先進的鋁鋰合金21951460,衛星貯箱將采用鋁鈧合金,以實現航天器的輕質化,一定會帶動新型焊絲的問世。 

2219鋁合金配用焊絲已由航天材料及工藝研究所研制完成,和國外焊絲相比的性能見表5,新研制的焊絲熔煉性好、制絲容易、抗裂性好、焊接工藝性好、接頭性能滿足設計要求,完全可以用于新一代運載火箭貯箱的焊接生產。

       

針對2195鋁鋰合金國內多家單位都在開展焊絲研制工作,均未取得突破進展,焦點集中在抗裂性問題上。 

 

鋁鈧合金以其優異的屈服強度有望取代5A06合金用于衛星貯箱由于鋁鈧合金具有良好的焊接性配用焊絲研制應不困難。

 

4  新技術帶來的發展 

國內焊絲的晶粒度一般為2-3級,國外焊絲的晶粒度為10級,焊絲晶粒越細,焊絲的性能越好,柔韌性越好,送絲越容易,且表面光亮化越容易取得好的效果,為此,采用新技術開發細晶焊絲是鋁合金焊絲的發展方向。 

納米技術的發展會帶動焊絲制造技術的進步,采用納米技術不僅可以獲得細晶焊絲,而且可以獲得細晶焊縫。從2219鋁合金探索試驗結果看,納米焊絲的晶粒度可達10級以上,所焊焊縫的晶粒度比常規焊絲要細得多,可明顯提高焊縫的屈服強度。

 

4.4、 結束語 

 

航天鋁合金焊絲在航天鋁合金焊接結構生產中占有特殊地位,應認清航天鋁合金焊絲國產化的重要性,民用行業可以大量使用甚至依賴國外進口鋁合金焊絲,航天鋁合金焊絲卻不能,易被國外卡脖子,影響我國航天工業的發展。應盡快完善航天鋁合金焊絲質量標準,加強焊絲生產過程控制,如降低焊絲中的氫含量控制焊縫氣孔,全面采用光亮焊絲適應自動焊的要求,使航天鋁合金焊接結構的質量得到保證。應重視航天鋁合金焊絲的研制,不僅使新材料能及時有配用焊絲,而且應加強現有焊絲的改進工作,使焊接質量不斷得到提高。

 

二、貯箱、氣瓶結構的焊接

 

貯箱、氣瓶結構材料以鋁合金、鈦合金為主,焊接質量要求高。特種焊接事業部長期從事容器類結構(貯箱、氣瓶)的弧焊、高能束焊接工藝研究及變形控制技術研究,作為航天系統焊接技術預先研究和焊接工藝技術攻關的支撐平臺,可提供特種結構焊接技術研究、工藝攻關等技術服務。

 

三、釬焊擴散焊技術

 

特種焊接事業部在新材料的釬焊擴散焊接技術研究及配套的中間層材料成分設計方面,具備較強的實力,可提供Ti3Al、TiAl基金屬間化合物等輕質、耐溫結構的擴散焊接技術,以及鋁合金、鈦合金、高溫合金等材料制品的高頻釬焊、真空釬焊、氣保護釬焊和擴散焊工藝技術。 

      

四、高能束焊接技術

 

特種焊接中心針對航天焊接結構復雜化、長壽命的發展趨勢,開展了新型發動機結構的高能束焊接技術研究、航天型號用厚壁鈦合金、鈮合金、鑄鋁結構的高能束焊接工藝研究,研究成果均獲得應用

 

五、異種材料連接技術

 

國內對異種材料連接結構的需求,不斷推動特種焊接中心異種材料連接技術的發展,目前已掌握了鋁/不銹鋼、鋁/銅、鈦/鋼、不銹鋼/銅、鈹/鋁、陶瓷基復合材料/鈦等異種材料的連接技術并獲得應用。可根據用戶需求,提供或開發異種材料的連接技術及結構。

 

六、復雜焊接結構及特種工藝裝備的研制

 

    特種焊接中心依托所內金屬成形工藝、密封、涂(鍍)層技術和檢測手段,可開展復雜焊接結構和特種工藝裝備的研發,為客戶提供符合要求的產品。

 

     

 

七、太陽能真空集熱用金屬管

 

 

    太陽能真空集熱用金屬管芯組件是太陽能真空集熱管的配套產品,采用無縫鈦合金管或不銹鋼管焊接成型工藝,具有很強的抗氯離子腐蝕性能和熱傳導性能,是太陽能真空集熱管的高端產品,適用于家庭太陽能熱水器和中高溫太陽能真空集熱管使用。
 
 

                    

 

                  

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