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航空航天鋁合金焊絲的開發(fā)及應(yīng)用
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-03-27
航空航天鋁合金焊絲：BJ-380、BJ-380A、BJ-380B、5B06、4043、Al-Mn、ER2319鋁銅合金焊絲
一.鋁合金具有比強度較高、制造工藝性好、成本低的特點，是航天產(chǎn)品的首選結(jié)構(gòu)材料。運載火箭貯箱、衛(wèi)星貯箱、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈殼體等采用鋁合金焊接而成。鋁合金焊絲是鋁合金焊接所必需的填充材料，是決定焊縫質(zhì)量的因素之一，在航天鋁合金焊接生產(chǎn)中占有重要地位。
不同的鋁合金需要有不同的配用焊絲，我國航天常用鋁合金及其配用焊絲的對應(yīng)關(guān)系見表1。主要的航天鋁合金焊絲有BJ-380系列和5B06焊絲，用于運載火箭貯箱、衛(wèi)星貯箱、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈殼體的焊接生產(chǎn)。
BJ-380系列焊絲由BJ-380、BJ-380A、BJ-380B組成。BJ-380焊絲是由航天材料及工藝研究所和北京有色所在60年代針對2A14鋁合金研制的，所焊接頭具有良好的常溫、低溫性能，基本解決了2A14合金的焊接難題。但BJ-380焊絲所焊焊縫存在“存放裂紋”問題，80年代由航天材料及工藝研究所和北京有色所合作研發(fā)了抗裂性更好、能解決“存放裂紋”的BJ-380A焊絲，但BJ-380A焊絲的低溫性能較差，無法用于低溫貯箱焊接生產(chǎn)，為此，仍采用BJ-380焊絲焊接低溫貯箱，采用BJ-380A焊絲焊接常溫貯箱。在地面設(shè)備厚板2A14合金MIG焊接生產(chǎn)中，BJ-380、BJ-380A焊絲均發(fā)現(xiàn)焊接裂紋，航天材料及工藝研究所和北京有色所再次合作研發(fā)了適合于厚板2A14合金MIG焊接的BJ-380B焊絲。
本文對BJ-380系列和5B06焊絲的現(xiàn)狀進行總結(jié)，并對航天鋁合金焊絲發(fā)展方向進行展望。
2現(xiàn)狀
1）生產(chǎn)現(xiàn)狀
鋁合金焊絲生產(chǎn)流程為：熔鑄—扒皮—擠壓—拉拔（多次）—退火（多次）—油封（或表面光亮化）—包裝。焊絲有兩種供貨方式：（1）以半硬狀態(tài)，表面油封供貨，焊前須酸洗；（2）以半硬狀態(tài)，光亮表面供貨，焊前不須酸洗。主要的焊絲品種見表2。
油封焊絲焊前必須酸洗，去除表面油污和氧化膜。一般適合于手工焊，用于自動焊時焊縫質(zhì)量不易保證，易出現(xiàn)焊縫氣孔、焊接夾雜缺陷。酸洗焊絲表面從微觀看存在很多凹坑，附有腐蝕產(chǎn)物，易吸附水分，圖1為焊絲酸洗表面和光亮表面的照片圖，可明顯看出酸洗表面的不良狀況，而光亮表面則具有明顯優(yōu)勢。酸洗焊絲手工焊時可利用刮削方法去除表面凹坑附著物以保證焊縫質(zhì)量。自動焊時由于焊絲必須以盤狀安裝在焊機送絲機構(gòu)上，酸洗后表面刮削非常困難，酸洗焊絲不推薦用于自動焊。光亮焊絲用于手工焊可省去焊前酸洗和刮削，更為方便。
油封焊絲的保存期為長期，光亮焊絲的保存期一般為1年，過期光亮焊絲可作為普通焊絲焊前酸洗使用。
BJ-380焊絲由于Ti、Zr含量超過在鋁中的理論固溶度，易產(chǎn)生Ti、Zr偏析，焊絲生產(chǎn)成品率很低。BJ-380A、BJ-380B、5B06焊絲成分設(shè)計合理，焊絲生產(chǎn)成品率正常。油封時所有焊絲規(guī)格均以盤狀供貨，光亮焊絲φ1.2、φ1.6、φ2.4以盤狀供貨，φ3.0、φ4.0、φ5.0以直絲供貨。
2）應(yīng)用情況
2A14合金是目前我國運載火箭貯箱主體結(jié)構(gòu)材料，配用焊絲共有三種，5A06合金用于部分貯箱主體結(jié)構(gòu)材料，配用焊絲為5B06，應(yīng)用情況見表3。
BJ-380焊絲生產(chǎn)應(yīng)用解決了2A14鋁合金焊接難題，是我國第一代航天鋁合金焊絲，保證了航天鋁合金焊接生產(chǎn)，但它也存在一些問題，主要表現(xiàn)為：（1）焊絲Ti、Zr成分易偏析，焊絲合格率較低，Ti、Zr偏析處可能引發(fā)焊接缺陷；（2）焊絲中易有夾雜物，導(dǎo)致焊縫表面發(fā)黑，出現(xiàn)臟物；（3）焊絲氫含量偏高，易出現(xiàn)焊縫氣孔。為改善BJ-380焊絲，研制了BJ-380A、BJ-380B焊絲，目前生產(chǎn)應(yīng)用較為穩(wěn)定，BJ-380A焊絲焊接2A14合金時補焊處有時會出現(xiàn)焊接裂紋，這種裂紋為焊接液化裂紋，必須排除，否則會降低貯箱的可靠性。由于BJ-380焊絲所焊接頭的低溫性能優(yōu)于BJ-380A焊絲所焊接頭性能，運載火箭低溫貯箱仍采用BJ-380焊絲。5B06焊絲應(yīng)用最為穩(wěn)定成熟，生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題多為氣孔、夾雜。
3 展望
為提高焊接質(zhì)量，對現(xiàn)在成熟應(yīng)用的焊絲，如5B06、BJ-380A和BJ-380B焊絲，工作重點應(yīng)放在解決氫含量和夾雜物問題上，發(fā)展低氫高純焊絲。
航天鋁合金焊接中最常見的焊接缺陷是焊縫氣孔，有資料顯示，焊縫氣孔缺陷占所有缺陷的70%以上，超標(biāo)氣孔的補焊會帶來許多新的缺陷，如采用BJ-380A焊絲補焊2A14合金經(jīng)常出現(xiàn)液化裂紋，可見控制焊縫氣孔的重要性。影響焊縫氣孔因素很多，除工藝因素、母材因素外，焊絲含氫量是一個重要因素，焊絲中的氫會直接進入熔池形成焊縫氣孔。為此，制造低氫焊絲非常重要，一般氫含量應(yīng)控制在0.2ml/100g金屬以下。
焊絲中的夾雜物會導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生夾雜或焊縫表面產(chǎn)生臟物，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。焊絲生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)中雖有低倍組織檢查控制夾雜物的要求，但實際工作中很難通過低倍組織檢查查出夾雜物。控制鋁合金焊絲夾雜物應(yīng)控制鑄造和拔絲兩個環(huán)節(jié)，鑄錠質(zhì)量決定焊絲質(zhì)量，拔絲工藝不良也會導(dǎo)致外來物裹入焊絲中形成夾雜。
現(xiàn)有鋁合金焊絲雖然存在諸多問題，但基本保證了現(xiàn)有型號焊接生產(chǎn)的需求。為了解決現(xiàn)在生產(chǎn)中存在的問題和滿足未來型號焊接生產(chǎn)的需要，航天鋁合金焊絲將在以下幾方面得到發(fā)展。
1） 生產(chǎn)問題帶來的發(fā)展
BJ—380焊絲存在的問題目前嚴(yán)重困擾著型號生產(chǎn)，為解決這一問題，航天材料及工藝研究所新研制了一種適合于低溫貯箱焊接的焊絲，牌號為BJ—380C，以替代BJ—380焊絲。表4為BJ—380C和BJ—380焊絲所焊接頭的性能比較, BJ—380C焊絲具有良好的熔煉性、制絲工藝性、焊接工藝性、抗裂性、介質(zhì)相容性，接頭力學(xué)性能和BJ—380焊絲相當(dāng)，完全可以取代BJ—380焊絲，需要進一步做的工作為大型試驗件考核。
2） 自動焊帶來的發(fā)展
焊接自動化程度在航天鋁合金產(chǎn)品焊接中越來越高，對焊絲的要求也相應(yīng)提高。不僅要求焊絲 的挺度（硬度）適合送絲要求，而且要求焊絲表面質(zhì)量較高，不能是酸洗表面，應(yīng)為光亮表面，因為酸洗表面不僅會帶來腐蝕產(chǎn)物和水分造成夾雜和氣孔，而且送絲機構(gòu)會局部刮削焊絲，形成刮削粉末阻塞送絲正常進行，中斷焊接過程。因此光亮焊絲將是航天鋁合金焊絲發(fā)展的重要方向。航天材料及工藝研究所在焊絲光亮化研究上做了較多工作，已能生產(chǎn)出BJ—380A、BJ—380B、5B06光亮焊絲，可以滿足航天焊接生產(chǎn)需求。
3） 新材料帶來的發(fā)展
隨著航天新型號的發(fā)展，新型鋁合金材料將發(fā)揮重大作用。如新一代運載火箭擬采用2219鋁合金，天地往返運輸系統(tǒng)貯箱必將采用更先進的鋁鋰合金2195或1460，衛(wèi)星貯箱將采用鋁鈧合金，以實現(xiàn)航天器的輕質(zhì)化，一定會帶動新型焊絲的問世。
2219鋁合金配用焊絲已由航天材料及工藝研究所研制完成，和國外焊絲相比的性能見表5，新研制的焊絲熔煉性好、制絲容易、抗裂性好、焊接工藝性好、接頭性能滿足設(shè)計要求，完全可以用于新一代運載火箭貯箱的焊接生產(chǎn)。
不同的鋁合金需要有不同的配用焊絲，我國航天常用鋁合金及其配用焊絲的對應(yīng)關(guān)系見表1。主要的航天鋁合金焊絲有BJ-380系列和5B06焊絲，用于運載火箭貯箱、衛(wèi)星貯箱、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈殼體的焊接生產(chǎn)。
表1 我國航天常用鋁合金及其配用焊絲對應(yīng)關(guān)系
|
焊絲牌號
|
BJ-380系列
|
5B06
|
4043
|
Al-Mn
|
|
鋁合金牌號
|
2A14
|
5A06
|
ZL104
|
3A21
|
本文對BJ-380系列和5B06焊絲的現(xiàn)狀進行總結(jié)，并對航天鋁合金焊絲發(fā)展方向進行展望。
2現(xiàn)狀
1）生產(chǎn)現(xiàn)狀
鋁合金焊絲生產(chǎn)流程為：熔鑄—扒皮—擠壓—拉拔（多次）—退火（多次）—油封（或表面光亮化）—包裝。焊絲有兩種供貨方式：（1）以半硬狀態(tài)，表面油封供貨，焊前須酸洗；（2）以半硬狀態(tài)，光亮表面供貨，焊前不須酸洗。主要的焊絲品種見表2。
油封焊絲焊前必須酸洗，去除表面油污和氧化膜。一般適合于手工焊，用于自動焊時焊縫質(zhì)量不易保證，易出現(xiàn)焊縫氣孔、焊接夾雜缺陷。酸洗焊絲表面從微觀看存在很多凹坑，附有腐蝕產(chǎn)物，易吸附水分，圖1為焊絲酸洗表面和光亮表面的照片圖，可明顯看出酸洗表面的不良狀況，而光亮表面則具有明顯優(yōu)勢。酸洗焊絲手工焊時可利用刮削方法去除表面凹坑附著物以保證焊縫質(zhì)量。自動焊時由于焊絲必須以盤狀安裝在焊機送絲機構(gòu)上，酸洗后表面刮削非常困難，酸洗焊絲不推薦用于自動焊。光亮焊絲用于手工焊可省去焊前酸洗和刮削，更為方便。
油封焊絲的保存期為長期，光亮焊絲的保存期一般為1年，過期光亮焊絲可作為普通焊絲焊前酸洗使用。
BJ-380焊絲由于Ti、Zr含量超過在鋁中的理論固溶度，易產(chǎn)生Ti、Zr偏析，焊絲生產(chǎn)成品率很低。BJ-380A、BJ-380B、5B06焊絲成分設(shè)計合理，焊絲生產(chǎn)成品率正常。油封時所有焊絲規(guī)格均以盤狀供貨，光亮焊絲φ1.2、φ1.6、φ2.4以盤狀供貨，φ3.0、φ4.0、φ5.0以直絲供貨。
表2 航天鋁合金焊絲主要品種
|
焊絲牌號
|
供貨狀態(tài)
|
焊絲規(guī)格
|
|
BJ-380
|
表面油封 半硬
|
φ1.2（盤）、
φ1.6（盤）、
φ2.4（盤）、
φ3.0、
φ4.0、
φ5.0
|
|
BJ-380A
|
表面油封 半硬
|
|
|
表面光亮 半硬
|
||
|
BJ-380B
|
表面油封 半硬
|
|
|
表面光亮 半硬
|
||
|
5B06
|
表面油封 半硬
|
|
|
表面光亮 半硬
|
2A14合金是目前我國運載火箭貯箱主體結(jié)構(gòu)材料，配用焊絲共有三種，5A06合金用于部分貯箱主體結(jié)構(gòu)材料，配用焊絲為5B06，應(yīng)用情況見表3。
表3 航天鋁合金主要焊絲應(yīng)用情況
|
焊絲牌號
|
應(yīng)用對象
|
焊接方法
|
焊絲穩(wěn)定性
|
焊接生產(chǎn)中的問題
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應(yīng)用型號
|
|
BJ-380
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2A14低溫貯箱
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TIG
|
不穩(wěn)定、易出現(xiàn)Ti、Zr偏析
|
Ti、Zr偏析、夾雜、裂紋、氣孔
|
運載火箭低溫貯箱
|
|
BJ-380A
|
2A14常溫貯箱
|
TIG
|
穩(wěn)定
|
補焊處有時出現(xiàn)液化裂紋、氣孔
|
運載火箭常溫貯箱
|
|
BJ-380B
|
地面設(shè)備
|
MIG
|
穩(wěn)定
|
氣孔
|
地面設(shè)備
|
|
5B06
|
5A06常溫貯箱
|
TIG
|
穩(wěn)定
|
偶有裂紋、氣孔、夾雜
|
運載火箭常溫貯箱、衛(wèi)星貯箱
|
3 展望
為提高焊接質(zhì)量，對現(xiàn)在成熟應(yīng)用的焊絲，如5B06、BJ-380A和BJ-380B焊絲，工作重點應(yīng)放在解決氫含量和夾雜物問題上，發(fā)展低氫高純焊絲。
航天鋁合金焊接中最常見的焊接缺陷是焊縫氣孔，有資料顯示，焊縫氣孔缺陷占所有缺陷的70%以上，超標(biāo)氣孔的補焊會帶來許多新的缺陷，如采用BJ-380A焊絲補焊2A14合金經(jīng)常出現(xiàn)液化裂紋，可見控制焊縫氣孔的重要性。影響焊縫氣孔因素很多，除工藝因素、母材因素外，焊絲含氫量是一個重要因素，焊絲中的氫會直接進入熔池形成焊縫氣孔。為此，制造低氫焊絲非常重要，一般氫含量應(yīng)控制在0.2ml/100g金屬以下。
焊絲中的夾雜物會導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生夾雜或焊縫表面產(chǎn)生臟物，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。焊絲生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)中雖有低倍組織檢查控制夾雜物的要求，但實際工作中很難通過低倍組織檢查查出夾雜物。控制鋁合金焊絲夾雜物應(yīng)控制鑄造和拔絲兩個環(huán)節(jié)，鑄錠質(zhì)量決定焊絲質(zhì)量，拔絲工藝不良也會導(dǎo)致外來物裹入焊絲中形成夾雜。
現(xiàn)有鋁合金焊絲雖然存在諸多問題，但基本保證了現(xiàn)有型號焊接生產(chǎn)的需求。為了解決現(xiàn)在生產(chǎn)中存在的問題和滿足未來型號焊接生產(chǎn)的需要，航天鋁合金焊絲將在以下幾方面得到發(fā)展。
1） 生產(chǎn)問題帶來的發(fā)展
BJ—380焊絲存在的問題目前嚴(yán)重困擾著型號生產(chǎn)，為解決這一問題，航天材料及工藝研究所新研制了一種適合于低溫貯箱焊接的焊絲，牌號為BJ—380C，以替代BJ—380焊絲。表4為BJ—380C和BJ—380焊絲所焊接頭的性能比較, BJ—380C焊絲具有良好的熔煉性、制絲工藝性、焊接工藝性、抗裂性、介質(zhì)相容性，接頭力學(xué)性能和BJ—380焊絲相當(dāng)，完全可以取代BJ—380焊絲，需要進一步做的工作為大型試驗件考核。
表4 BJ—380C和BJ—380焊絲所焊接頭的性能
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焊絲牌號
|
BI-380C
|
BJ-380
|
|
|
裂紋敏感性
|
K1（%）
|
6.5
|
7.2
|
|
K2（%）
|
0
|
3.4
|
|
|
σb
(MPa)
|
室溫
|
324
|
337
|
|
－196℃
|
413
|
412
|
|
|
－253℃
|
445
|
446
|
|
|
δ
(%)
|
室溫
|
4.7
|
7.4
|
|
－196℃
|
5.4
|
5.2
|
|
|
－253℃
|
2.9
|
2.8
|
|
焊接自動化程度在航天鋁合金產(chǎn)品焊接中越來越高，對焊絲的要求也相應(yīng)提高。不僅要求焊絲 的挺度（硬度）適合送絲要求，而且要求焊絲表面質(zhì)量較高，不能是酸洗表面，應(yīng)為光亮表面，因為酸洗表面不僅會帶來腐蝕產(chǎn)物和水分造成夾雜和氣孔，而且送絲機構(gòu)會局部刮削焊絲，形成刮削粉末阻塞送絲正常進行，中斷焊接過程。因此光亮焊絲將是航天鋁合金焊絲發(fā)展的重要方向。航天材料及工藝研究所在焊絲光亮化研究上做了較多工作，已能生產(chǎn)出BJ—380A、BJ—380B、5B06光亮焊絲，可以滿足航天焊接生產(chǎn)需求。
3） 新材料帶來的發(fā)展
隨著航天新型號的發(fā)展，新型鋁合金材料將發(fā)揮重大作用。如新一代運載火箭擬采用2219鋁合金，天地往返運輸系統(tǒng)貯箱必將采用更先進的鋁鋰合金2195或1460，衛(wèi)星貯箱將采用鋁鈧合金，以實現(xiàn)航天器的輕質(zhì)化，一定會帶動新型焊絲的問世。
2219鋁合金配用焊絲已由航天材料及工藝研究所研制完成，和國外焊絲相比的性能見表5，新研制的焊絲熔煉性好、制絲容易、抗裂性好、焊接工藝性好、接頭性能滿足設(shè)計要求，完全可以用于新一代運載火箭貯箱的焊接生產(chǎn)。
表5 2219鋁合金配用焊絲的性能
|
焊絲牌號
|
25＃
|
720
|
美國2319
|
||
|
裂紋
敏感性
|
K1（%）
|
1.8
|
5.3
|
3.8
|
|
|
K2（%）
|
0
|
0
|
0
|
||
|
σb
(MPa)
|
室溫
|
2.6mm
|
313
|
298
|
264
|
|
6.0mm
|
293
|
270
|
287
|
||
|
－196℃
|
2.6mm
|
371
|
326
|
320
|
|
|
6.0mm
|
345
|
319
|
352
|
||
|
－253℃
|
2.6mm
|
485
|
440
|
－
|
|
|
δ
(%)
|
室溫
|
2.6mm
|
4.5
|
2.8
|
4.6
|
|
6.0mm
|
4.0
|
3.2
|
4.2
|
||
|
－196℃
|
2.6mm
|
4.3
|
3.3
|
4.0
|
|
|
6.0mm
|
3.5
|
2.9
|
4.0
|
||
|
－253℃
|
2.6mm
|
2.8
|
2.1
|
－
|
|
|
氣孔敏感性
|
小
|
小
|
大
|
||
針對2195鋁鋰合金國內(nèi)多家單位都在開展焊絲研制工作，均未取得突破進展，焦點集中在抗裂性問題上。
鋁鈧合金以其優(yōu)異的屈服強度有望取代5A06合金用于衛(wèi)星貯箱,由于鋁鈧合金具有良好的焊接性,配用焊絲研制應(yīng)不困難。
4） 新技術(shù)帶來的發(fā)展
國內(nèi)焊絲的晶粒度一般為2-3級，國外焊絲的晶粒度為10級，焊絲晶粒越細，焊絲的性能越好，柔韌性越好，送絲越容易，且表面光亮化越容易取得好的效果，為此，采用新技術(shù)開發(fā)細晶焊絲是鋁合金焊絲的發(fā)展方向。
納米技術(shù)的發(fā)展會帶動焊絲制造技術(shù)的進步，采用納米技術(shù)不僅可以獲得細晶焊絲，而且可以獲得細晶焊縫。從2219鋁合金探索試驗結(jié)果看，納米焊絲的晶粒度可達10級以上，所焊焊縫的晶粒度比常規(guī)焊絲要細得多，可明顯提高焊縫的屈服強度。
4 結(jié)束語
航天鋁合金焊絲在航天鋁合金焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中占有特殊地位，應(yīng)認清航天鋁合金焊絲國產(chǎn)化的重要性，民用行業(yè)可以大量使用甚至依賴國外進口鋁合金焊絲，航天鋁合金焊絲卻不能，易被國外卡脖子，影響我國航天工業(yè)的發(fā)展。應(yīng)盡快完善航天鋁合金焊絲質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，加強焊絲生產(chǎn)過程控制，如降低焊絲中的氫含量控制焊縫氣孔，全面采用光亮焊絲適應(yīng)自動焊的要求，使航天鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量得到保證。應(yīng)重視航天鋁合金焊絲的研制，不僅使新材料能及時有配用焊絲，而且應(yīng)加強現(xiàn)有焊絲的改進工作，使焊接質(zhì)量不斷得到提高。
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