電子束焊接技術(shù)在航天領(lǐng)域中應(yīng)用

宇航技術(shù)中所用的各類火箭、衛(wèi)星、飛船、星球車(chē)、空間站以及太陽(yáng)能電站等，它們的結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)，以及所用的各種儀器等都有一些共同特點(diǎn)，不僅要求零部件質(zhì)量極為可靠，能經(jīng)受各種惡劣環(huán)境，如強(qiáng)力振動(dòng)，因日照變化引起的高低溫度交替沖擊，失重，宇宙線幅射，超高真空環(huán)境中運(yùn)作；而且要求零件尺寸小，重量輕，氣密性好。因此，對(duì)宇航零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及加工工藝都提出了極為苛刻的要求，實(shí)踐證明為了滿足上述特點(diǎn)，電子束焊接技術(shù)是必不可少的強(qiáng)有力的工具之一。這是因?yàn)殡娮邮附蛹夹g(shù)有以下一些特點(diǎn)：

(1)電子束焊接能量密度很高(106W/cm2)，對(duì)于任何材料，包括高熔點(diǎn)鎢、鉬等材料，其焊縫都能快速熔化。一般不用焊條，靠零件自身材料熔接而成。

(2)電子束焊接在真空中進(jìn)行，可防止材料氧化及其它有害氣體侵入。利用熔池與真空氣氛的壓差，有利于焊縫熔化金屬中所含氣體排出，減少焊縫氣孔，增加氣密性，提高焊縫強(qiáng)度都有好處。

(3)電子束焊接不僅能量密度高，而且因其特殊焊接機(jī)理可以獲得很大的焊縫深寬比，焊縫又深又窄，因而焊接零件變形小。對(duì)于較厚零件，采用100kW電子束焊機(jī)一次可焊透鋼200mm，采用普通焊接方法就需多次填充，會(huì)造成零件較大變形。

(4)焊接兩種物理性質(zhì)差異大(如熱傳導(dǎo)或熱容量)的材料所構(gòu)成的零件時(shí)，兩種材料可同時(shí)瞬間熔化再快速凝固，如銅與鋼，極薄的零件與厚零件的焊接都可實(shí)現(xiàn)。

(5)電子束可以聚得很細(xì)，偏轉(zhuǎn)方便，所以可焊很精細(xì)零件?？珊鸽y以達(dá)到的焊接點(diǎn)，因此對(duì)特殊結(jié)構(gòu)，和特別精細(xì)的零件用電子束焊接是非常適宜的。

(6)能量密度高，焊接速度快，熱影響區(qū)范圍很小，不會(huì)對(duì)臨近半導(dǎo)體器件或其它熱敏器件產(chǎn)生不良影響。

以下我們略舉幾種電子束焊接在宇宙航行中應(yīng)用事例。

即將建設(shè)的空間站以及正在規(guī)劃的太陽(yáng)能電站，這些都需要用航天飛機(jī)，或運(yùn)載火箭分成小塊運(yùn)送到空間，再裝配而成，采用鉚接和螺栓聯(lián)接會(huì)大大增加結(jié)構(gòu)重量，使用電子束焊接是最理想的，無(wú)需焊條，不會(huì)額外增加結(jié)構(gòu)重量。在宇宙空間采用電子束焊另一優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需真空系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了焊接設(shè)備。

圖1所示為美國(guó)六十年代研制成的宇宙空間用電子束焊機(jī)，為阿波羅登月艙維修用，這是因登月艙在著落月球表面時(shí)，萬(wàn)一不慎沖擊力過(guò)大而將腿折斷，無(wú)法起飛返回地球，經(jīng)詳細(xì)分析，論證并經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)電子束焊接是最理想的并付之實(shí)現(xiàn)。未來(lái)的空間站及太陽(yáng)能電站長(zhǎng)年累月地在空間飛行，面積又大，難免受到隕石沖擊而損壞，同樣需要用電子束焊機(jī)來(lái)修補(bǔ)。

圖1　宇宙空間電子束焊機(jī)

宇宙航行用各類器具其零部件焊接除一小部分需在宇宙空間完成焊接作業(yè)外(如上述)，大多數(shù)零部件可在地面完成。由于電子束焊接杰出的焊接性能，以及宇宙器具的特殊要求，故采用電子束焊接的零部件的品種、數(shù)量繁多，以下僅選取一些典型焊接例子。

現(xiàn)代化飛航和星際站要為人類提供居住的氣氛，飛船和星際站內(nèi)部充以成分與壓力相當(dāng)于地球大氣的氣體，由于不可避免存在著泄漏，就需從地球補(bǔ)送氣體。很明顯飛行器漏氣量越大，其補(bǔ)充量越大，給宇船帶來(lái)很大負(fù)擔(dān)。宇宙空間是超高真空，對(duì)飛行器的氣密性要求更高。如已使用過(guò)的雙子星座(飛船內(nèi)乘二人來(lái)往于地球與月球間)，其氣氛維持不到二周，如果乘員增加，或航程變長(zhǎng)，尤其是在遠(yuǎn)離地球，空氣無(wú)法得到補(bǔ)充的情況下，就會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題。因此對(duì)宇宙飛行器的氣密性提出了非常嚴(yán)格的要求，形成氣體泄漏有幾種因素，但飛行器焊接質(zhì)量是因素之一，經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)電子束焊接可獲得最小泄漏量。

美國(guó)阿波羅的載人登月艙，其采用的是可調(diào)節(jié)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量關(guān)系到宇航員生命安全，要求焊接絕不能有缺陷，電子束焊接能滿足其要求，該發(fā)動(dòng)機(jī)共有64種零件采用電子束焊，其中流量控制由閥及其岐管組成，90%用電子束焊。其材料為321～347不銹鋼、6061鋁合金、17～4、17～7、PH不銹鋼和6A1～4V鈦，還有一些執(zhí)行元件，測(cè)試基準(zhǔn)和指令控制盒等，因電子束焊可輸入很小能量、變形很小又不會(huì)損壞焊接件中封存的電子元件和傳感器件。宇航用短時(shí)小型推力器如圖2所示：在外殼①中封存炸藥②、其噴口③是用0.05mm304不銹鋼薄膜④封住，當(dāng)炸藥引燃后，高壓氣體沖破該膜而產(chǎn)生推力。要求①③④零件一次焊牢，由于結(jié)構(gòu)需要，焊縫離炸藥僅1mm，在焊接封裝時(shí)炸藥表面溫度不能超過(guò)150℃，否則會(huì)引燃炸藥，只有用電子束焊接并嚴(yán)格控制其參數(shù)才能達(dá)到其要求。

圖2　宇宙飛行器助推器

空間飛行器的推進(jìn)器中有不少零部件因其結(jié)構(gòu)與材料很特殊，采用電子束焊成功地解決了其疑難問(wèn)題。如有的星際飛行器，其推進(jìn)器用的是電火箭，其發(fā)射體使水銀或銫汽化并游離，其離子在加速極電勢(shì)作用下，從其表面拉出并加速到一定速度，形成所需推力，發(fā)射體的表面積越大，其游離量越大，效率越高，多孔鎢是最佳選擇。多孔鎢還需與支撐件鎢塊用電子束焊牢成一體，而該鎢支撐件又必須與鉭盒焊牢，但鉭與鎢直接熔焊，其合金變脆，而以鈦為中間介質(zhì)用電子束釬焊，而獲得無(wú)裂紋焊接。

鈦合金有高的強(qiáng)質(zhì)比，是宇航用重要結(jié)構(gòu)材料。用氬弧焊，延性差，很脆，而用電子束焊，共焊接質(zhì)量好得多，如焊過(guò)5A1，2.5Sn;4A1，3Mo，1V；6A1，4V；13.5V，11Cr，3A1等，用電子束焊這些鈦合金焊縫強(qiáng)度能達(dá)到基材的等強(qiáng)度，其沖擊強(qiáng)度甚至比基材還高。鈹合金具有更高的強(qiáng)質(zhì)比，阿波羅飛船門(mén)的框架構(gòu)件就用鈹合金，采用電子束焊接而成。圖3所示導(dǎo)彈殼體采用非真空電子束焊示意圖：

圖3　非真空電子束焊導(dǎo)彈殼體示意圖

工具鋼、熱加工模具鋼(5%Cr,0.4%C)適合于某些導(dǎo)彈和空間飛行器骨架用材，因價(jià)格較鈦合金低得多而具有競(jìng)爭(zhēng)力，其極限強(qiáng)度為300，000psi，用局部電子束熱處理可以改善其特性。耐熔金屬如鎢、鉬、鉭、鈮等在宇航中應(yīng)用面比較廣，但有強(qiáng)烈吸氣性和脆性傾向，采用常規(guī)電弧焊質(zhì)量難以保證，而電子束焊接在真空中進(jìn)行，可以避免其吸氣，減少脆性，增加它們的它們的延性和耐沖擊強(qiáng)度。焊鉭與鉬材料，其焊縫強(qiáng)度可與基材相當(dāng)。

有些零件的不同部位，將處在不同氣氛(如高或低溫，腐蝕與否；粉塵狀態(tài)等)和不同工作狀態(tài)(如負(fù)載大小與性質(zhì)差別，熱傳導(dǎo)的不同，硬度與耐磨要求等)下運(yùn)行，用一種材料要滿足不同部件的不同要求，有時(shí)得放棄合理結(jié)構(gòu)如改變結(jié)構(gòu)、增加零件尺寸、重量、加工工序。電子束的優(yōu)越特性可很好地解決大多數(shù)異種金屬間的焊接難題，來(lái)滿足零件的理想結(jié)構(gòu)。在宇航加工工藝中還會(huì)遇到一些非金屬材料如陶瓷、石墨、玻璃的焊接，或這些材料與高熔點(diǎn)金屬之間焊接難題，電子束焊接可順利解決。這些非金屬材料與非高熔點(diǎn)金屬之間熔焊技術(shù)尚未解決，但用電子束釬焊可解決這一難題，因高真空條件下用電子束蒸鍍鈦到零件表面，能起到潤(rùn)濕作用，使釬焊料很易漫延而達(dá)到優(yōu)質(zhì)釬焊。電子束焊接能解決大多數(shù)異種材料焊接難題，這樣制造出來(lái)的零件其尺寸小，重量輕，性能好。

2　宇航用電子束焊機(jī)特殊要求

宇航零部件所用電子束焊接設(shè)備，大致分為兩大類，一類是常規(guī)的電子束焊機(jī)。用來(lái)焊接可以在地面裝配的零部件，這一類機(jī)器與普通電子束焊機(jī)相同，不再另述。另一類是空間所用電子束焊機(jī)，美國(guó)與前蘇聯(lián)都已研制成功，因其必須運(yùn)到空間去進(jìn)行焊接操作，故須適應(yīng)空間特殊環(huán)境。

(1)重量輕、體積小。這是最關(guān)鍵指標(biāo)之一。因?yàn)樗炕鸺l(fā)射到空間，在空間宇航員還需背負(fù)整套設(shè)備進(jìn)行焊接操作。盡管無(wú)需真空系統(tǒng)，但高壓整流電源及電子槍等仍不可缺少，還需要有電池，美國(guó)研制登月用的電子束焊機(jī)，在地球上整機(jī)重量為150公斤，在月球上僅為26公斤。

(2)要對(duì)宇宙輻射線進(jìn)行仔細(xì)防護(hù)。由于宇宙空間沒(méi)有大氣防護(hù)，宇宙線的輻射非常強(qiáng)烈，它會(huì)對(duì)一些器件，尤其是半導(dǎo)體器件及絕緣材料起破壞作用，使一些零部件失靈，必須采取保護(hù)措施。

(3)需考慮失重狀態(tài)對(duì)各種零部件功能影響。

(4)宇宙空間是超高真空(＜10-12Pa)，其零部件必須適應(yīng)該氣氛中工作。

(5)設(shè)備所用材料與元件，要經(jīng)得起空間溫度交變的影響(從-150 到+250 )。

宇宙航行用電子束焊機(jī)，美國(guó)與前蘇聯(lián)都研制出類型相似的焊機(jī)。主機(jī)有新型空間用電池，為焊機(jī)提供能源，采用逆變器將電池供給的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電，再經(jīng)變壓器升壓與整流，轉(zhuǎn)變?yōu)?0～30kV直流高壓供給電子槍。后者高壓檔次亦曾經(jīng)過(guò)深入實(shí)驗(yàn)研究，加速電壓高了(80kV)雖然其聚焦性能好，但設(shè)備體積大，份量重，機(jī)動(dòng)性差，X射線防護(hù)復(fù)雜，不便宇宙空間使用；電壓在15kV以下就不必采用X射線防護(hù)，缺點(diǎn)是熔化深度與工作距離關(guān)系密切，電壓越低影響越明顯，在宇宙空間維修時(shí)主要靠手焊，將不可避免的會(huì)抖動(dòng)，由此引起的工作距離變化將帶來(lái)熔深、熔寬的顯著變化，影響焊接質(zhì)量，因此宇航用電子槍加速電壓不希望低于20kV。美國(guó)研制登月修補(bǔ)用電子束焊機(jī)電子槍其功率為1.5kW，高壓為20kV，槍的尺寸(不包括把手)長(zhǎng)250mm，直徑75mm，帶把手重為4.35公斤(地面)。

在宇宙空間進(jìn)行焊接，因失重對(duì)焊縫成型機(jī)理是否會(huì)發(fā)生根本變化，能否順利進(jìn)行焊接，美、蘇二國(guó)在早期(還沒(méi)有飛船時(shí))曾利用飛機(jī)造成失重狀態(tài)進(jìn)行工藝研究，每次試驗(yàn)?zāi)芫S持25秒鐘，焊接結(jié)果其焊縫形狀和熔化量與通常有重力條件下是一樣，僅在焊一些個(gè)別材料如AMT6出現(xiàn)一些大的氣孔，這是由于在超高真空條件下更易將把熔化金屬區(qū)內(nèi)氣體析出所致，像鋁合金AMT6易蒸發(fā)性材料較易引起氣孔。雖然在宇宙空間焊接并未遇到原估計(jì)那么多的困難，但對(duì)焊接操作、參數(shù)規(guī)范等還需進(jìn)行嚴(yán)格控制。

要想在宇航技術(shù)中充分發(fā)揮電子束焊接這一先進(jìn)技術(shù)，一方面要研制適用于宇宙空間用的先進(jìn)的電子束焊接裝置，另一方面要深入研究在宇航特殊氣氛中的焊接工藝。

空間科學(xué)技術(shù)，包括載人飛船已列入我國(guó)科研規(guī)劃，宇航用電子束焊接技術(shù)是必不可少的，具有三十多年該方面科學(xué)技術(shù)積累的我國(guó)科技工作者，一定能配合好總體計(jì)劃，完成歷史賦于他們的使命。