電子束焊接技術在航天領域中應用

宇航技術中所用的各類火箭、衛星、飛船、星球車、空間站以及太陽能電站等，它們的結構件、發動機，以及所用的各種儀器等都有一些共同特點，不僅要求零部件質量極為可靠，能經受各種惡劣環境，如強力振動，因日照變化引起的高低溫度交替沖擊，失重，宇宙線幅射，超高真空環境中運作；而且要求零件尺寸小，重量輕，氣密性好。因此，對宇航零部件的結構設計、材料選擇及加工工藝都提出了極為苛刻的要求，實踐證明為了滿足上述特點，電子束焊接技術是必不可少的強有力的工具之一。這是因為電子束焊接技術有以下一些特點：

(1)電子束焊接能量密度很高(106W/cm2)，對于任何材料，包括高熔點鎢、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。對于較厚零件，采用100kW電子束焊機一次可焊透鋼200mm，采用普通焊接方法就需多次填充，會造成零件較大變形。

(4)焊接兩種物理性質差異大(如熱傳導或熱容量)的材料所構成的零件時，兩種材料可同時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現。

(5)電子束可以聚得很細，偏轉方便，所以可焊很精細零件?？珊鸽y以達到的焊接點，因此對特殊結構，和特別精細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，熱影響區范圍很小，不會對臨近半導體器件或其它熱敏器件產生不良影響。

以下我們略舉幾種電子束焊接在宇宙航行中應用事例。

即將建設的空間站以及正在規劃的太陽能電站，這些都需要用航天飛機，或運載火箭分成小塊運送到空間，再裝配而成，采用鉚接和螺栓聯接會大大增加結構重量，使用電子束焊接是最理想的，無需焊條，不會額外增加結構重量。在宇宙空間采用電子束焊另一優點是無需真空系統，大大簡化了焊接設備。

圖1所示為美國六十年代研制成的宇宙空間用電子束焊機，為阿波羅登月艙維修用，這是因登月艙在著落月球表面時，萬一不慎沖擊力過大而將腿折斷，無法起飛返回地球，經詳細分析，論證并經科學實驗確認電子束焊接是最理想的并付之實現。未來的空間站及太陽能電站長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來修補。

圖1　宇宙空間電子束焊機

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外(如上述)，大多數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、數量繁多，以下僅選取一些典型焊接例子。

現代化飛航和星際站要為人類提供居住的氣氛，飛船和星際站內部充以成分與壓力相當于地球大氣的氣體，由于不可避免存在著泄漏，就需從地球補送氣體。很明顯飛行器漏氣量越大，其補充量越大，給宇船帶來很大負擔。宇宙空間是超高真空，對飛行器的氣密性要求更高。如已使用過的雙子星座(飛船內乘二人來往于地球與月球間)，其氣氛維持不到二周，如果乘員增加，或航程變長，尤其是在遠離地球，空氣無法得到補充的情況下，就會帶來嚴重問題。因此對宇宙飛行器的氣密性提出了非常嚴格的要求，形成氣體泄漏有幾種因素，但飛行器焊接質量是因素之一，經試驗證實電子束焊接可獲得最小泄漏量。

美國阿波羅的載人登月艙，其采用的是可調節液體火箭發動機，該發動機的質量關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，該發動機共有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，還有一些執行元件，測試基準和指令控制盒等，因電子束焊可輸入很小能量、變形很小又不會損壞焊接件中封存的電子元件和傳感器件。宇航用短時小型推力器如圖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，當炸藥引燃后，高壓氣體沖破該膜而產生推力。要求①③④零件一次焊牢，由于結構需要，焊縫離炸藥僅1mm，在焊接封裝時炸藥表面溫度不能超過150℃，否則會引燃炸藥，只有用電子束焊接并嚴格控制其參數才能達到其要求。

圖2　宇宙飛行器助推器

空間飛行器的推進器中有不少零部件因其結構與材料很特殊，采用電子束焊成功地解決了其疑難問題。如有的星際飛行器，其推進器用的是電火箭，其發射體使水銀或銫汽化并游離，其離子在加速極電勢作用下，從其表面拉出并加速到一定速度，形成所需推力，發射體的表面積越大，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，而以鈦為中間介質用電子束釬焊，而獲得無裂紋焊接。

鈦合金有高的強質比，是宇航用重要結構材料。用氬弧焊，延性差，很脆，而用電子束焊，共焊接質量好得多，如焊過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度能達到基材的等強度，其沖擊強度甚至比基材還高。鈹合金具有更高的強質比，阿波羅飛船門的框架構件就用鈹合金，采用電子束焊接而成。圖3所示導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)適合于某些導彈和空間飛行器骨架用材，因價格較鈦合金低得多而具有競爭力，其極限強度為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、鈮等在宇航中應用面比較廣，但有強烈吸氣性和脆性傾向，采用常規電弧焊質量難以保證，而電子束焊接在真空中進行，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度。焊鉭與鉬材料，其焊縫強度可與基材相當。

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；粉塵狀態等)和不同工作狀態(如負載大小與性質差別，熱傳導的不同，硬度與耐磨要求等)下運行，用一種材料要滿足不同部件的不同要求，有時得放棄合理結構如改變結構、增加零件尺寸、重量、加工工序。電子束的優越特性可很好地解決大多數異種金屬間的焊接難題，來滿足零件的理想結構。在宇航加工工藝中還會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金屬之間熔焊技術尚未解決，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，能起到潤濕作用，使釬焊料很易漫延而達到優質釬焊。電子束焊接能解決大多數異種材料焊接難題，這樣制造出來的零件其尺寸小，重量輕，性能好。

2　宇航用電子束焊機特殊要求

宇航零部件所用電子束焊接設備，大致分為兩大類，一類是常規的電子束焊機。用來焊接可以在地面裝配的零部件，這一類機器與普通電子束焊機相同，不再另述。另一類是空間所用電子束焊機，美國與前蘇聯都已研制成功，因其必須運到空間去進行焊接操作，故須適應空間特殊環境。

(1)重量輕、體積小。這是最關鍵指標之一。因為它靠火箭發射到空間，在空間宇航員還需背負整套設備進行焊接操作。盡管無需真空系統，但高壓整流電源及電子槍等仍不可缺少，還需要有電池，美國研制登月用的電子束焊機，在地球上整機重量為150公斤，在月球上僅為26公斤。

(2)要對宇宙輻射線進行仔細防護。由于宇宙空間沒有大氣防護，宇宙線的輻射非常強烈，它會對一些器件，尤其是半導體器件及絕緣材料起破壞作用，使一些零部件失靈，必須采取保護措施。

(3)需考慮失重狀態對各種零部件功能影響。

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

(5)設備所用材料與元件，要經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，美國與前蘇聯都研制出類型相似的焊機。主機有新型空間用電池，為焊機提供能源，采用逆變器將電池供給的直流電轉變為高頻電，再經變壓器升壓與整流，轉變為20～30kV直流高壓供給電子槍。后者高壓檔次亦曾經過深入實驗研究，加速電壓高了(80kV)雖然其聚焦性能好，但設備體積大，份量重，機動性差，X射線防護復雜，不便宇宙空間使用；電壓在15kV以下就不必采用X射線防護，缺點是熔化深度與工作距離關系密切，電壓越低影響越明顯，在宇宙空間維修時主要靠手焊，將不可避免的會抖動，由此引起的工作距離變化將帶來熔深、熔寬的顯著變化，影響焊接質量，因此宇航用電子槍加速電壓不希望低于20kV。美國研制登月修補用電子束焊機電子槍其功率為1.5kW，高壓為20kV，槍的尺寸(不包括把手)長250mm，直徑75mm，帶把手重為4.35公斤(地面)。

在宇宙空間進行焊接，因失重對焊縫成型機理是否會發生根本變化，能否順利進行焊接，美、蘇二國在早期(還沒有飛船時)曾利用飛機造成失重狀態進行工藝研究，每次試驗能維持25秒鐘，焊接結果其焊縫形狀和熔化量與通常有重力條件下是一樣，僅在焊一些個別材料如AMT6出現一些大的氣孔，這是由于在超高真空條件下更易將把熔化金屬區內氣體析出所致，像鋁合金AMT6易蒸發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那么多的困難，但對焊接操作、參數規范等還需進行嚴格控制。

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

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