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天宮一號的“焊接師”

——專訪北京工業大學陳樹君教授

2012年06月26日09:07    來源:科技日報     手機看新聞

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變極性等離子弧環縫焊接系統焊接天宮一號

 

  ■將新聞進行到底

  文·本報記者 林莉君

  “天宮一號”無疑是眼下最熱門的詞匯,電視、網絡、報紙、廣播,“天宮一號”頻頻現身。

  升入太空260多天的時間裡,天宮一號不僅運行穩定、狀態正常,還與神舟九號載人飛船完成了自動、手控交會對接。

  對很多人來說,天宮一號意味著航天科技的進步,意味著不久的將來我們能建造真正的“太空家園”。

  而對陳樹君來說,天宮一號還意味著更多的東西——見証了北京工業大學焊接技術研究團隊的工作和努力。陳樹君和他的團隊應用自主研發的“變極性等離子弧(VPPA)穿孔立焊工藝及裝備”,與北京衛星制造廠密切配合,完成了天宮一號主體結構的焊裝工作。

  “難就難在又薄又軟,3米多的大殼子 最薄處隻有兩毫米厚,焊縫還要經受住太空環境的考驗。”

  “天宮一號的焊接,難就難在又薄又軟,3米多的大殼子最薄處隻有兩毫米厚,焊縫還要經受住太空環境的考驗。”6月21日,在接受科技日報記者專訪時陳樹君說。

  作為我國首個進入太空的目標飛行器,天宮一號採用薄壁加筋結構,總長10.4米,最大直徑3350毫米,進入太空后,面臨真空條件下的極端溫差,對焊接工藝提出了嚴格的要求。

  “我們國家的焊接自動化水平十分薄弱。2004年,北京衛星制造廠用手工先焊出了天宮一號的模樣,變形非常嚴重。那時候,國際上像美國、加拿大等國家已經掌握了VPPA技術,並運用到航空領域。國際空間站節點艙的焊接就採用了VPPA技術。我們團隊通過近10年的摸索,已經能夠進行變極性等離子弧焊接了。2005年北京衛星制造廠派人到我們學校調研,認為VPPA技術優良,可以用於天宮一號的焊接。”

  從那時起,陳樹君他們的團隊開始和天宮一號打起了“交道”,並和北京衛星制造廠就變極性等離子焊接工藝及裝備的關鍵技術開展聯合攻關。

  “對天宮一號進行焊接,並不是 把鋁合金材料放在地上或平鋪在焊台上,而是垂直立向上焊接。”

  “對天宮一號進行焊接,並不是把鋁合金材料放在地上或平鋪在焊台上,而是採用VPPA焊接技術,垂直立向上焊接。”陳樹君告訴記者,“採用這種方式,焊縫氣孔率極低、密封性好、精度高,是太空大型薄壁密封艙體的首選焊接方式。”

  雖然掌握了VPPA技術,但是要實現完美的焊接,還必須有送絲機、立式縱縫機床等外部工裝的配合。“如果把VPPA焊接電源比作一個人的大腦,那麼外部工裝就是這個人的胳膊、腿。”陳樹君說。“作為高校,沒有條件親自加工制作外部工裝,而且時間也等不起,我們就和國內在焊接自動化工裝設計與加工方面的優勢企業——成都焊研科技發展有限公司商談:我們有一項好的工藝技術,但是需要好的焊接車床配合。現在沒有充足的科研經費,我們送你一台等離子焊機,你送我們一台立式縱縫機床怎麼樣?”提起當時的情況,陳樹君很為自己的“創意”感到滿意。

  在成都焊研科技公司的大力支持下,2005年10月,ZFL-1000專用VPPA焊接機床到位,北京衛星制造廠的試驗任務也到了。“當時真是揚眉吐氣了,覺得自己有工具了。”陳樹君回憶說,“衛星廠帶來5對試板,除了第1對進行了工藝參數試驗,其它4條焊縫都很好。隨后,衛星廠的領導親自帶隊,帶著大量的焊接試板,專門來到我們實驗室進行焊接穩定性試驗,連續焊接10對試板,過程非常穩定。試驗后對焊縫進行質量檢驗,焊縫質量獲得了專家的認可。”

  “先進行縱向焊接,再進行環狀焊接。 四五十條縫最長的一條縫超過10米,要焊接一個半小時左右。”

  “天宮一號採用鋁合金璧板筒段焊接結構,從而保証了它的密封性和可靠性。”陳樹君說,“焊接時,先進行縱向焊接,再進行環狀焊接。天宮一號主體結構需要焊接四五十條縫,最長的一條縫超過10米,要焊接一個半小時左右。”

  2007年,北京工業大學和529廠聯合開發了環縫VPPA立焊工藝裝備,率先採用VPPA立焊工藝完成了直徑3320毫米的“天宮一號”的初樣焊接,焊接質量獲得專家的肯定﹔2008年雙方聯合開發成功超大型密封艙體VPPA焊接裝備,全部採用VPPA工藝成功完成國內最大直徑4500毫米的鋁合金艙體結構﹔2009年雙方聯合攻關,解決VPPA環縫焊接的收弧填孔問題,完成了“天宮一號”正樣產品的焊接。

  最終完工時,天宮一號進行氦質譜檢漏,焊縫漏率完全滿足航天工程I級焊縫標准,“確保了這間‘大房子’外殼嚴絲合縫。”陳樹君說。

  “希望今后VPPA穿孔立焊工藝及裝備 能適用於不規則形狀的焊縫,廣泛應用於航天領域。”

  由於對天宮一號的特殊貢獻,2011年10月,陳樹君和焊接技術研究團隊帶頭人——北工大副校長盧振洋作為特殊的客人被邀請到酒泉衛星發射基地,現場觀看“神八”和天宮一號的對接。“當時心情很激動,雖然有點緊張,但是對天宮一號很有信心。”陳樹君回憶道,“記得天宮一號正樣產品焊接完成后,北京衛星制造廠的領導問我焊縫有沒有疏漏的地方?我仔細想了想,確實沒有。”

  2011年年底,載人航天總體部和北京衛星制造廠聯合向北京工業大學贈送錦旗——保對接攜手同心 征天宇共創輝煌。

  對於團隊的下一步研究目標,陳樹君告訴記者,“過去的研究成果隻適用於橫的、豎的、圓的等規則的焊縫,希望今后VPPA技術能適用於不規則形狀的焊縫,廣泛應用於航空航天領域。

  如今,陳樹君和他的團隊已經投入到了新項目中去——2011年6月,國家科技重大專項“航天器復雜曲線焊縫變極性等離子弧自動化焊接設備”項目立項﹔2012年5月,國家科技重大專項“載人航天器結構關鍵制造裝備及柔性生產線”項目立項。

  —————— 相關背景 ——————

  VPPA焊接技術在美國被廣泛應用於航空航天領域

  鋁合金以其低溫特性、重量輕、強度高的優點,已被廣泛地應用在航空航天、汽車和化工工業中,成為一種重要的加工材料。但是鋁合金在空氣中容易被氧化,其表面形成一層致密難熔、比重大的氧化膜,阻礙基體金屬的熔合。

  早在1978年,美國NASA宇航局馬歇爾宇航中心決定採用VPPA焊接技術部分取代鎢極氬弧焊(TIG)工藝焊接航天飛機外貯箱,航天飛機的外貯箱直徑8m,材料為2219-T87鋁合金,共焊接了900m焊縫,經100% X射線檢測,未發現任何內部缺陷,焊縫質量比TIG多層焊明顯提高。

  上世紀90年代初美國波音公司採用此工藝方法焊接自由號空間站,焊接2080m焊縫,內部也實現了“無缺陷”。目前,美國航天飛機約90%的外貯箱焊縫均採用VPPA焊接工藝。

  —————— 名詞解釋 ——————

  變極性(VP)焊接電源:實質上是一種正負半波的幅值和時間都可調整的不對稱交流方波電源,可以在保証合適陰極清理效果前提下減小鎢電極的燒損和增加焊接熔深。

  等離子弧(PA)焊接:將電鎢極縮到水冷噴嘴內部,並在向噴嘴內部通入適量的氬氣(一般稱離子氣),電弧就受到噴嘴孔徑的“機械壓縮”、噴嘴水冷的“熱壓縮”、離子氣充分電離的“電壓縮”的聯合作用,能量密度高達50000瓦/平方毫米,電弧力也比普通電弧高數倍。

  變極性等離子弧(VPPA)穿孔立焊技術:綜合了“變極性焊接”“等離子弧焊接”和“穿孔焊接”的優點,同時為解決液相鋁合金粘性小,熔池不易保持的問題,採用垂直立向上施焊方式,用先凝固的焊縫“托住”熔池。鋁合金的VPPA穿孔立焊工藝使熔融金屬向下流淌過程擴大了熔池液相金屬表面積大幅增加了氣泡的溢出機會,焊縫氣孔率極低,被稱為“無缺陷焊接工藝”。

(責任編輯:姚衛華(實習)、馬麗)

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