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太空焊接技术的探索
时间:2018-12-25 来源:中国机械工程学会焊接分会
太空到底能不能焊接?答案当然是肯定的。航天所用的材料大多为:钛合金、铝合金、高强钢等,太空中用普通焊接方法是非常困难的;那么所有的太空装置全部在地面上做好后再发射上去,由于运载能力的限制,要把庞大体积的太空装置送入太空,也是相当困难的,综合考虑,在太空进行焊接研究是人类迈向深空所必需的。随着我国载人空间站建成(预计2020年),太空焊接的研究与探索正蓬勃发展。中国空间站见图1。
太空的高真空和失重环境对焊接有利也有弊,高真空是老天爷给的,太空自然存在的,对于采用真空类焊接方法很有利,如:真空电子束焊、真空钎焊及冷焊等;但对于航天员的航天服要求非常高。失重对于焊接薄板几乎不会烧穿;对于冷(压)焊也有利;坡口超大间隙照样能焊;手工或机械操作非常轻松;对于毛细管润湿性特别有利,方便钎焊。失重对固定航天员及其它物件(包括焊件及焊接装置等)造成困难。目前太空中焊接的方法有:变形焊、钎焊、冷焊、电子束焊、等离子焊弧、熔化极气体保护焊、空心阴极真空电弧焊等。但这些焊接方法还不够成熟,现在的国际空间站还在进行“太空焊接”的研究和探索。
早在60年代就开始太空焊接的研究和探索,为了建造国际空间站,需要大量的组件通过人造卫星或类似工具带到太空,然后进行组装。连接这些组件有几种方法,俄罗斯人希望采用焊接法,美国空间组织机构则倾向于采用机械连接和焊接相结合的方法。空间站大约需要160km的管线,管子组件可以在地面上焊接,在太空连接这些组件也要采用焊接法。空间站的设计寿命至少位30年,因此将来这些组件和管线的维修也需要采用焊接法。另外,还可能需要使用空间热切割、钎焊和热喷涂等工艺。
太空焊接有很多困难,毕竟太空条件与地面的情况大不相同,主要是高真空气氛、地球引力较小和失重现象。空间站温度范围从绝对零度到太阳辐射的较高温度,还存在其它的辐射,如电磁辐射等,这些都会影响焊接过程的进行。此外,并不指望航天员掌握焊接操作技术,这就要求太空焊接按需完全实现自动化。为了成功实现太空焊接,需要大量的科学研究。为此,乌克兰巴顿焊接研究所与俄罗斯宇航局合作研制出了太空焊接设备。巴顿所的科学家已经在地面上通过采用真空室、低温来模拟太空焊接,结果表明电子束焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊和钎焊点都是可行的,他们还在飞行实验室内在短时失重的情况下进行了模拟试验。当时建设中的国际空间站见图2。
首次报道太空焊接的应用是在1969年10月的Soyuz6飞船上。焊接件被命名为:Vulkin,大约50kg重,采用电池作为电源,航天员G.S.Shonin和V.N.Kubaslov进行了电子束焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊。1979年,在Soyuz7空间站上采用了“IS”改进电源,还进行了其它试验,如:电子束切割等。1983年,电源再次被改进,并且在Soyuz7空间站上进行了试验。1984年,在Soyuz7上采用了VHT(万能手动工具)的改进电源。这次飞行中,航天员Sverlana Savtskeya和Vladimir Dzhanibekov在太空舱外进行了焊接。另外,还由在地面上进行过焊接培训的航天员做了热喷涂试验。值得注意的是:1986年,航天员Kizin和Solovyer采用VHT焊接了11m的桁架梁标志采用焊接方法能够建造航天器。图3和图4展示了Vladimir Dzhanibekov使用VHT电源在舱外焊接和焊接电源。