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简介

 

    万博航天材料及工艺研究所在1961年成立了焊接研究室,直至发展到今天的特种焊等焊接工艺和设备研究领域内积累了丰富的经验,取得了突出的成果。同时,特种焊接事业部还主持航天焊接人员资格鉴定委员会和技能鉴定站的日常事业接部,是航天系统专业从事新材料可焊性评价研究、焊接方法及工艺研究、特种结构的焊接成形技术研究及生产的单位。在航天特种铝合金焊丝、高温合金焊丝和钎焊材料的研制,以及钎焊扩散焊、高能束焊接、气体保护焊工作,负责航天产品焊接操作人员的资格鉴定与认证、航天焊工技能鉴定等。

    特种焊接事业部拥有国内先进的扩散焊接设备、真空钎焊炉、大型电子束焊接设备、高频钎焊设备、激光焊接设备、弧焊设备等,同时配备完善的焊接质量分析检测仪器。可根据用户需求开发各类焊接结构制造技术,提供特种铝合金焊丝以及新型焊材的研制。

 

一、航天特种铝合金光亮焊丝

 

    特种焊接事业部紧密结合航天型号的发展,致力于航天特种铝合金配用焊丝的研制生产。以航天型号需求为先导,以研制一流品质焊丝,满足长征系列运载火箭和卫星铝合金焊接结构高可靠性为目标,立足自主研发,研制的BJ-380A、5B06、2325、5B09铝焊丝已应用于长征火箭和卫星铝合金贮箱、管路、壳段等结构的焊接。航天特种铝合金光亮焊丝严格控制氢含量,最大程度降低了焊丝杂质含量,有效抑制了焊缝中夹杂、气孔等缺陷产生。
特种焊接事业部长期从事铝合金材料可焊性评价,可根据用户提供的铝合金母材牌号、使用环境及要求等(如高、低温环境,强度及塑性要求等),为用户选择合适的铝合金焊丝。
 

          

 

1.1 焊丝牌号

BJ-380A:专为长征系列运载火箭2A14高强度铝合金贮箱的焊接而研制的焊丝。亦适用于2A12、2A16铝合金的焊接。与ER4043焊丝相比,具有更好的抗结晶裂纹及液化裂纹的能力;同时焊接接头具有较好的韧性,优良的常、低温力学性能。
 
5B06:专为长征系列运载火箭、卫星5A06铝合金贮箱、密封舱体及管路焊接而研制的焊丝。适用于5xxx系列铝合金的焊接。与ER5356铝焊丝相比,Mg及微量元素含量提高,使其具有更好的抗焊接裂纹的能力,并能有效降低焊缝中氧化物夹杂的倾向、细化焊缝组织,形成焊接接头强度可达到母材强度的90%以上。
 
2325:专为新型运载火箭2219铝合金贮箱焊接而研制的焊丝,与ER2319焊丝相比,该焊丝中的合金元素能使焊缝金属在补焊或多层焊时产生时效强化效果——原焊缝金属中析出大量弥散的强化相,补焊后接头强度不降低。特别适用于2219铝合金不同厚度结构及压力容器焊接。
 
5B09:针对未来运载火箭、卫星新型铝钪合金贮箱焊接而研制的焊丝。铝钪合金母材强度420-460MPa(与铝铜合金相当),采用5B09焊丝,接头强度可达到母材强度的90%以上,屈服强度可达到母材强度的50%以上。焊丝成分中添加了微量元素,有效提高了焊缝抗焊接裂纹的能力,并能显著细化焊缝组织。
 
1.2 使用说明:
 
产品采用真空包装,出厂包装密封条件下保存期限为二年,拆去包装在通常大气环境下保存期限为三个月
产品应置于通风、干燥处存放
产品在运输过程中应避免磕碰,以免影响焊丝质量
对超过保存期的焊丝,建议在焊接前进行焊丝清理
 
1.3 焊丝性能
 
(1)BJ-380A铝合金光亮焊丝性能
 
BJ-380A光亮焊丝/2A14铝合金弧焊接头性能(数据仅供参考)
 

 

 

2325光亮焊丝/ 2219铝合金弧焊接头补焊性能提高原因分析
 
铝合金焊接补焊时,一般会引起接头性能不同程度的下降,但2325光亮焊丝/2219铝合金弧焊接头补焊后接头性能不降,出现异常情况。进口ER2319光亮焊丝/2219铝合金弧焊接头补焊后接头强度略有降低,属正常情况。
 

     原因分析——回火强化固溶于铝中的Mn、Cr、Zr等元素,在结晶时即使在比较缓慢的冷却速度下也很难析出,必须在再次加热时才析出,析出物呈点状,是Mn或Cr和铝及其它元素的化合物,其分布状态对合金性能影响很大,成为有些合金弥散强化的主要相,冶金学上称之为回火强化效应。我所研制的2325焊丝属Al-Cu-Mn-Ti-Zr-V-Cr系合金,焊缝金属中存在Mn、Cr、Zr等元素,对于2325光亮焊丝/2219铝合金补焊接头,补焊焊缝对原焊缝施加焊接热循环处理,使焊缝金属中的过饱和固溶体发生分解,在晶内析出强化相,呈弥散分布,可较明显提高接头性能,即发生了回火强化效应。这一现象暂称为焊接热循环回火强化。 下图分别为我所研制的2325光亮焊丝/2219铝合金未补焊接头和补焊接头组织,对比补焊前后的组织可知,补焊前几乎看不到析出物,补焊后发现大量弥散分布的晶内析出物,呈点状分布,证实了我所研制的2325光亮焊丝/2219铝合金补焊接头中发生了焊接热循环回火强化。

 

 

 

分析认为,我所研制的2325光亮焊丝/2219铝合金接头补焊强化的机理为焊接热循环回火强化。

 

焊接热循环回火强化是2325光亮焊丝/2219铝合金接头补焊强化的关键,采用其它焊丝焊接2219铝合金是否也会实现焊接热循环回火强化,为回答这一问题,选用国外进口的ER2319焊丝进行焊接,研究ER2319光亮焊丝/2219铝合金接头一次补焊的性能,进行比对试验。

 

    下表为ER2319光亮焊丝/2219铝合金一次补焊接头的力学性能,由表可知,ER2319光亮焊丝/2219铝合金一次补焊接头拉伸强度有所下降,延伸率有所提高。补焊前后的组织见图,由图可知,采用进口ER2319焊丝焊接和补焊后,晶粒有所长大,未发现明显的析出物,表现为拉伸强度有所下降,延伸率有所提高。由此说明,采用进口ER2319焊丝焊接2219铝合金不能实现焊接热循环时效。

 

 

 

 

             

 

 

焊后热处理可形成析出物,但在新一代运载火箭贮箱生产条件下,不能进行焊后热处理,只能以焊后态使用,可见为提高补焊接头力学性能,实现焊接热循环时效有重要意义。

 

 

2、航天铝合金焊丝的发展现状和未来展望

2.1、前言

 

铝合金具有比强度较高、制造工艺性好、成本低的特点,是航天产品的首选结构材料。运载火箭贮箱、卫星贮箱等采用铝合金焊接而成。铝合金焊丝是铝合金焊接所必需的填充材料,是决定焊缝质量的因素之一,在航天铝合金焊接生产中占有重要地位。 

不同的铝合金需要有不同的配用焊丝,我国航天常用铝合金及其配用焊丝的对应关系见表1。主要的航天铝合金焊丝有BJ-380系列和5B06焊丝,用于运载火箭贮箱、卫星贮箱壳体的焊接生产。

        

 

 

 

 

BJ-380系列焊丝由BJ-380BJ-380ABJ-380B组成。BJ-380焊丝的焊接头具有良好的常温、低温性能,基本解决了2A14合金的焊接难题。但BJ-380焊丝所焊焊缝存在存放裂纹问题,BJ-380A焊丝能解决存放裂纹问题,但BJ-380A焊丝的低温性能较差,无法用于低温贮箱焊接生产,为此,仍采用BJ-380焊丝焊接低温贮箱,采用BJ-380A焊丝焊接常温贮箱。在地面设备厚板2A14合金MIG焊接生产中采用适合于厚板2A14合金MIG焊接的BJ-380B焊丝。

 

本文对BJ-380系列和5B06焊丝的现状进行总结,并对航天铝合金焊丝发展方向进行展望。 

 

2.2现状 

 

    1)生产现状 

 

    铝合金焊丝生产流程为:熔铸扒皮挤压拉拔(多次)退火(多次)油封(或表面光亮化)包装。焊丝有两种供货方式:(1)以半硬状态,表面油封供货,焊前须酸洗;(2)以半硬状态,光亮表面供货,焊前不须酸洗。(主要的焊丝品种见表2。)

 

油封焊丝焊前必须酸洗,去除表面油污和氧化膜。一般适合于手工焊,用于自动焊时焊缝质量不易保证,易出现焊缝气孔、焊接夹杂缺陷。酸洗焊丝表面从微观看存在很多凹坑,附有腐蚀产物,易吸附水分,图1为焊丝酸洗表面和光亮表面的照片图,可明显看出酸洗表面的不良状况,而光亮表面则具有明显优势。酸洗焊丝手工焊时可利用刮削方法去除表面凹坑附着物以保证焊缝质量。自动焊时由于焊丝必须以盘状安装在焊机送丝机构上,酸洗后表面刮削非常困难,酸洗焊丝不推荐用于自动焊。光亮焊丝用于手工焊可省去焊前酸洗和刮削,更为方便。

 

    油封焊丝的保存期为长期,光亮焊丝的保存期一般为年,过期光亮焊丝可作为普通焊丝焊前酸洗使用。

 

                  

BJ-380焊丝由于TiZr含量超过在铝中的理论固溶度,易产生TiZr偏析,焊丝生产成品率很低。BJ-380ABJ-380B5B06焊丝成分设计合理,焊丝生产成品率正常。油封时所有焊丝规格均以盘状供货,光亮焊丝Φ1.2、Φ1.6、Φ2.4以盘状供货,Φ3.0Φ4.0Φ5.0以直丝供货。

 

 

 

2A14合金是目前我国运载火箭贮箱主体结构材料,配用焊丝共有三种,5A06合金用于部分贮箱主体结构材料,配用焊丝为5B06,应用情况见表3

 

     

 

BJ-380焊丝生产应用解决了2A14铝合金焊接难题,是我国第一代航天铝合金焊丝,保证了航天铝合金焊接生产,但它也存在一些问题,主要表现为:(1)焊丝TiZr成分易偏析,焊丝合格率较低,TiZr偏析处可能引发焊接缺陷;(2)焊丝中易有夹杂物,导致焊缝表面发黑,出现脏物;(3)焊丝氢含量偏高,易出现焊缝气孔。为改善BJ-380焊丝,研制了BJ-380ABJ-380B焊丝,目前生产应用较为稳定,BJ-380A焊丝焊接2A14合金时补焊处有时会出现焊接裂纹,这种裂纹为焊接液化裂纹,必须排除,否则会降低贮箱的可靠性。由于BJ-380焊丝所焊接头的低温性能优于BJ-380A焊丝所焊接头性能,运载火箭低温贮箱仍采用BJ-380焊丝。5B06焊丝应用最为稳定成熟,生产中出现的问题多为气孔、夹杂。 

 

 

3.3、 展望 

 

为提高焊接质量,对现在成熟应用的焊丝,如5B06BJ-380ABJ-380B焊丝,工作重点应放在解决氢含量和夹杂物问题上,发展低氢高纯焊丝。 

航天铝合金焊接中最常见的焊接缺陷是焊缝气孔,有资料显示,焊缝气孔缺陷占所有缺陷的70%以上,超标气孔的补焊会带来许多新的缺陷,如采用BJ-380A焊丝补焊2A14合金经常出现液化裂纹,可见控制焊缝气孔的重要性。影响焊缝气孔因素很多,除工艺因素、母材因素外,焊丝含氢量是一个重要因素,焊丝中的氢会直接进入熔池形成焊缝气孔。为此,制造低氢焊丝非常重要,一般氢含量应控制在0.2ml/100g金属以下

焊丝中的夹杂物会导致焊缝产生夹杂或焊缝表面产生脏物,严重影响焊接质量。焊丝生产标准中虽有低倍组织检查控制夹杂物的要求,但实际工作中很难通过低倍组织检查查出夹杂物。控制铝合金焊丝夹杂物应控制铸造和拔丝两个环节,铸锭质量决定焊丝质量,拔丝工艺不良也会导致外来物裹入焊丝中形成夹杂

现有铝合金焊丝虽然存在诸多问题,但基本保证了现有型号焊接生产的需求。为了解决现在生产中存在的问题和满足未来型号焊接生产的需要,航天铝合金焊丝将在以下几方面得到发展。

 

1  生产问题带来的发展

BJ-380焊丝存在的问题目前严重困扰着型号生产,为解决这一问题,万博航天材料及工艺研究所新研制了一种适合于低温贮箱焊接的焊丝,牌号为BJ-380C,以替代BJ-380焊丝。表4BJ-380CBJ-380焊丝所焊接头的性能比较, BJ-380C焊丝具有良好的熔炼性、制丝工艺性、焊接工艺性、抗裂性、介质相容性,接头力学性能和BJ-380焊丝相当,完全可以取代BJ-380焊丝。

      

 

2  自动焊带来的发展 

 

焊接自动化程度在航天铝合金产品焊接中越来越高,对焊丝的要求也相应提高。不仅要求焊丝的挺度(硬度)适合送丝要求,而且要求焊丝表面质量较高,不能是酸洗表面,应为光亮表面酸洗表面不仅会带来腐蚀产物和水分造成夹杂和气孔,而且送丝机构会局部刮削焊丝,形成刮削粉末阻塞送丝正常进行,中断焊接过程。因此光亮焊丝将是航天铝合金焊丝发展的重要方向。万博航天材料及工艺研究所在焊丝光亮化研究上做了较多工作,已能生产出BJ-380ABJ-380B5B06光亮焊丝,可以满足航天焊接生产需求。 

 

3  新材料带来的发展 

随着航天新型号的发展,新型铝合金材料将发挥重大作用。如新一代运载火箭拟采用2219铝合金,天地往返运输系统贮箱必将采用更先进的铝锂合金21951460,卫星贮箱将采用铝钪合金,以实现航天器的轻质化,一定会带动新型焊丝的问世。 

2219铝合金配用焊丝已由万博航天材料及工艺研究所研制完成,和国外焊丝相比的性能见表5,新研制的焊丝熔炼性好、制丝容易、抗裂性好、焊接工艺性好、接头性能满足设计要求,完全可以用于新一代运载火箭贮箱的焊接生产。

       

针对2195铝锂合金国内多家单位都在开展焊丝研制工作,均未取得突破进展,焦点集中在抗裂性问题上。 

 

铝钪合金以其优异的屈服强度有望取代5A06合金用于卫星贮箱由于铝钪合金具有良好的焊接性配用焊丝研制应不困难。

 

4  新技术带来的发展 

国内焊丝的晶粒度一般为2-3级,国外焊丝的晶粒度为10级,焊丝晶粒越细,焊丝的性能越好,柔韧性越好,送丝越容易,且表面光亮化越容易取得好的效果,为此,采用新技术开发细晶焊丝是铝合金焊丝的发展方向。 

纳米技术的发展会带动焊丝制造技术的进步,采用纳米技术不仅可以获得细晶焊丝,而且可以获得细晶焊缝。从2219铝合金探索试验结果看,纳米焊丝的晶粒度可达10级以上,所焊焊缝的晶粒度比常规焊丝要细得多,可明显提高焊缝的屈服强度。

 

4.4、 结束语 

 

航天铝合金焊丝在航天铝合金焊接结构生产中占有特殊地位,应认清航天铝合金焊丝国产化的重要性,民用行业可以大量使用甚至依赖国外进口铝合金焊丝,航天铝合金焊丝却不能,易被国外卡脖子,影响我国航天工业的发展。应尽快完善航天铝合金焊丝质量标准,加强焊丝生产过程控制,如降低焊丝中的氢含量控制焊缝气孔,全面采用光亮焊丝适应自动焊的要求,使航天铝合金焊接结构的质量得到保证。应重视航天铝合金焊丝的研制,不仅使新材料能及时有配用焊丝,而且应加强现有焊丝的改进工作,使焊接质量不断得到提高。

 

二、贮箱、气瓶结构的焊接

 

贮箱、气瓶结构材料以铝合金、钛合金为主,焊接质量要求高。特种焊接事业部长期从事容器类结构(贮箱、气瓶)的弧焊、高能束焊接工艺研究及变形控制技术研究,作为航天系统焊接技术预先研究和焊接工艺技术攻关的支撑平台,可提供特种结构焊接技术研究、工艺攻关等技术服务。

 

三、钎焊扩散焊技术

 

特种焊接事业部在新材料的钎焊扩散焊接技术研究及配套的中间层材料成分设计方面,具备较强的实力,可提供Ti3Al、TiAl基金属间化合物等轻质、耐温结构的扩散焊接技术,以及铝合金、钛合金、高温合金等材料制品的高频钎焊、真空钎焊、气保护钎焊和扩散焊工艺技术。 

      

四、高能束焊接技术

 

特种焊接中心针对航天焊接结构复杂化、长寿命的发展趋势,开展了新型发动机结构的高能束焊接技术研究、航天型号用厚壁钛合金、铌合金、铸铝结构的高能束焊接工艺研究,研究成果均获得应用

 

五、异种材料连接技术

 

国内对异种材料连接结构的需求,不断推动特种焊接中心异种材料连接技术的发展,目前已掌握了铝/不锈钢、铝/铜、钛/钢、不锈钢/铜、铍/铝、陶瓷基复合材料/钛等异种材料的连接技术并获得应用。可根据用户需求,提供或开发异种材料的连接技术及结构。

 

六、复杂焊接结构及特种工艺装备的研制

 

    特种焊接中心依托所内金属成形工艺、密封、涂(镀)层技术和检测手段,可开展复杂焊接结构和特种工艺装备的研发,为客户提供符合要求的产品。

 

     

 

七、太阳能真空集热用金属管

 

 

    太阳能真空集热用金属管芯组件是太阳能真空集热管的配套产品,采用无缝钛合金管或不锈钢管焊接成型工艺,具有很强的抗氯离子腐蚀性能和热传导性能,是太阳能真空集热管的高端产品,适用于家庭太阳能热水器和中高温太阳能真空集热管使用。