航天铝合金焊丝的发展现状和未来展望

 一、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、战术导弹壳体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、战术导弹壳体的焊接生产。 　　BJ-380系列焊丝由BJ-380、BJ-380A、BJ-380B组成。BJ-380焊丝是由航天材料及工艺研究所和北京有色所在60年代针对2A14铝合金研制的，所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，80年代由航天材料及工艺研究所和北京有色所合作研发了抗裂性更好、能解决“存放裂纹”的BJ-380A焊丝，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，BJ-380、BJ-380A焊丝均发现焊接裂纹，航天材料及工艺研究所和北京有色所再次合作研发了适合于厚板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、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。 　　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1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Ti、Zr含量超过在铝中的理论固溶度，易产生Ti、Zr偏析，焊丝生产成品率很低。BJ-380A、BJ-380B、5B06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，φ3.0、φ4.0、φ5.0以直丝供货。     2）应用情况 　　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Ti、Zr成分易偏析，焊丝合格率较低，Ti、Zr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-380A、BJ-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 展望 　　为提高焊接质量，对现在成熟应用的焊丝，如5B06、BJ-380A和BJ-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，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4为BJ—380C和BJ—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，需要进一步做的工作为大型试验件考核。 　　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，因为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。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—380A、BJ—380B、5B06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2195或1460，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。

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