各国空间电子束焊接技术的发展

烟雨江南

近年来，随着“神舟”系列飞船的连续发射成功，我国的载人航天技术也取得了突破性进展。目前我国空间技术下一步的发展重点是月球探索和空间站的构建，并将在2010年发射“天宫一号”节点仓，随后还将陆续发射其他功能仓进行太空对接组装，最终完成大型空间站的在轨构建，因此，我国对太空焊接与修复技术的需求越来越迫切。同时，为实现更大规模的空间利用和对大型空间站等长寿命飞行器的轨道组装，世界各个空间大国也十分重视对在轨建造技术的研究。

受运载火箭运载能力的限制，要实现在轨进行组装就必须尽可能缩小其体积和质量，典型的空间站模式均为桁架结构，材料通常选用轻质合金，目前常用的连接方式有螺钉连接和焊接连接，而采用焊接结构能够有效地降低机构的重量，提升构件的整体性。根据前苏联的经验，一般均采取两种连接方式相结合的桁架结构。


此外，长寿命航天飞行器在使用过程中，由于陨石和宇宙碎片的碰撞穿孔、太空射线辐射、空间温度急剧变化以及空间材料本身的故障，空间飞行器的飞行超过2000个昼夜就需要维修。随着飞行器飞行时间的增长和规模的不断扩大，故障率必然提高，在轨维修（包括空间焊接、切割和喷涂）技术必将成为保障航天飞行器安全可靠使用必不可少的措施。

因此，未来航天飞行器的空间组装和在轨维修均离不开焊接技术，发展适用于空间环境的焊接技术显得尤为必要。从国外多年的研究成果可以看出，电子束焊接已成为了空间焊接最主要的应用技术。

发展历程

为了在未来空间站进行分离部件的组装和维修，前苏联、美国和日本早在20世纪60年代初期就对空间结构材料连接的方法进行了一系列的研究。

美国20世纪60年代研制成功的宇宙空间用电子束焊机是为阿波罗登月舱维修而设计的，这是因为登月舱在月球表面着陆时，如果因为冲击力过大不慎将起落支架折断，就会无法起飞返回地球，经过详细分析和科学实验，科学家们证明采用电子束焊接是最理想的方法。而未来的空间站及太阳能电站长年累月地在空间飞行，由于面积大，难免受到陨石冲击而损坏，因此同样需要用电子束焊接技术进行修补。

美国于1964年出版的《电子束焊接手册》公布了美国航空公司哈密尔顿分公司和美国空军合作研究空间用电子束焊接装置的消息。此外美国通用电气公司和西屋公司也进行过类似的研究。1973年美国发射的“天空实验室一号”空间站曾试验使用手持电子枪的方法，但此后未见到试验结果。

图1 人类首次空间焊接

日本于1990年也开始进行了在微重力条件下的焊接试验，其中包括电弧焊和电子束焊，并于1996年在深度为710m的矿井中进行了试验。据报道，其电子束焊枪长度为370mm，电压为18kV，束流为80mA，但由于当时其航天技术落后，因此未进行空间焊接试验。

1965年，前巴顿焊接研究所在“Ty-104”飞机上建立了飞行实验室，利用飞机模拟失重环境，同时在舱内建立了真空室，在此条件下进行了焊接试验。1969年在“联盟6号”飞船上进行了首次空间试验，试验使用了一种名为“Bупкан”的自动焊装置，在空间微重力条件下同样对弧焊、等离子焊和电子束焊进行比较，试验表明与Ty-104飞机上试验结果是一致的。通过上述筛选试验，技术人员肯定了电子束方法是最适合太空条件的焊接方法，并于70年代初期研制了电子枪样机。在近地轨道（距地面250～500km），大气压力约为1.8×10-4～1.0×10-5Pa的环境下，电子束焊接方法具有相对简单、高效的优势，且可用于航天工业中所有的金属和合金。

1974年，在加加林宇航员训练中心（ЦПК），专家们首次进行了手工电子枪模拟试验，其目的是评估身着宇航服的操作人员进行手工焊接和切割操作的可能性，之后又进行了多种形式和多次模拟试验，如在飞机上进行失重模拟试验、水槽试验和真空环境模拟试验。最终在1984年7月17日，前苏联宇航员伊戈尔、扎尼拜科夫和萨维茨卡娅在“礼炮7号”空间站的外太空采用“VHT”电子束焊接系统共同完成了人类首次太空焊接切割等作业。

随着军事大国之间竞争的加剧以及技术的保密性，后续报道较少。最新的相关报道是宇航员在国际空间站内所进行的钎焊试验。

应用优势

空间技术中所使用的各类火箭、卫星、飞船、星球车、空间站以及太阳能电站等装置，其结构件、发动机以及相关的各种仪器的零部件质量必须极为可靠，能经受如强力振动、因日照变化引起的高低温度交替冲击、失重、宇宙射线辐射和在超高真空环境中工作等各种恶劣环境的考验，此外，这些零件还必须具有尺寸小、重量轻以及气密性好等特点，因此，宇航零部件的结构设计、材料选择及加工工艺都必须严格要求。实践证明，电子束焊接技术可以满足上述所有要求，这是由于电子束焊接技术具有以下特点：

1.电子束焊接能量密度很高(107W/cm2)，对于任何材料包括高熔点钨、钼等，其焊缝都能快速熔化。一般不用焊条，靠零件自身材料即可熔接而成。

2.电子束焊接不仅能量密度高，而且由于其特殊的焊接机理，焊接零件可以获得很大的焊缝深宽比，因而零件变形小。对于较厚零件，采用100kW电子束焊机一次可焊透200mm厚的钢材，而采用普通焊接方法就需多次填充，还会造成零件较大变形。

3.焊接由两种物理性质差异大(如热传导或热容量)的材料所构成的零件时，两种材料可同时瞬间熔化再快速凝固，能够快速实现如铜与钢、极薄的零件与厚零件等的焊接。

4.由于电子束可以聚得很细，偏转方便, 可对难以达到的部位进行焊接，因此非常适合于对特殊结构和特别精细的零件进行焊接。

5.能量密度高，焊接速度快，热影响区范围很小，不会对临近半导体器件或其它热敏器件产生不良影响。

我国即将建设的空间站以及正在规划的太阳能电站都需要使用航天飞机或运载火箭将其分成小块后再运送到空间进行装配，如果采用铆接和螺栓联接就会大大增加结构重量，采用电子束焊接则无需焊条，不会额外增加结构重量。在宇宙空间采用电子束焊接的另一优点是无需真空系统，大大简化了焊接装置。与其他焊接方法需要大量的辅助装置相比，电子束焊接装置大大降低了对地天之间的运输要求。

此外，由于电子束能量密度高（大于107W/cm2)，热效率超过90%，大大节约了空间站中来自于太阳能电池的电能，对于空间焊接来说具有十分明显的优势。

发展方向

由于装备是技术的载体，所以目前的空间焊接技术的研究热点是对焊接装置的研究，通常要求装置尽可能地轻。美国20世纪60年代携带登陆月球的装置，其质量超过了100kg。随着电子技术的发展，目前空间电子束焊接装置的质量已经控制在20kg以内。

除了装置的质量外，装置的易用性也十分重要，为此必须为电子束空间焊接装置提供焊接参数的自动设定功能。由于该功能是以电子束在微重力下焊接的焊缝形成机理为基础，因此它也将成为空间电子束焊接技术的研究重点。

此外，对空间焊接部件结构的研究，如何种结构的质量轻、强度好，容易进行装配焊接等也将成为人们的重点研发方向。

结语

目前，除了美国、日本、俄罗斯和乌克兰已对电子束焊接技术进行了研究之外，我国也在积极进行相关的研究工作，如哈尔滨工业大学已经创立了太空焊接实验室。中国空间技术研究院也进行了太空电子束焊接装置电子枪的研究工作，并取得了一定的成果。北京航空制造工程研究所也十分关注该项技术，目前已经对太空用电子枪和相关电源系统进行了系统的研究，并取得了一定的进展。哈尔滨焊接研究所也已经与国外研究机构进行着该技术的合作研究工作。相信不久的将来，我国必将在空间电子束焊接技术领域取得长足的进步。