《特种环境下的连接方法》 空间焊接.doc

《特种环境下的连接方法》 课程作业 学 院：材料科学与工程学院 学 号： 姓 名： 日 期：2014/12/22 空间焊接 空间焊接发展背景 随着世界的发展，地球环境的恶劣，人类向宇宙走出了探索的第一步。各大国纷纷发展航空航天事业，空间站成了人类定居太空必不可少的落脚点。但是大型的构件和设备，决定了它不可能一次运送至宇宙的命运。送至太空中再进行二次安装是建立空间站的一大难点，机械连接是目前最普遍的方式，但是具有易损坏的缺点。焊接这种永久性的、牢固的连接方式渐渐地进入了人们的视线。另一方面，空间飞行器和空间构件的运行寿命的要求也是越来越长，由于空间中温差过大，离子辐射强，空间粒子与碎片撞击和对接时候的冲击都会对构件产生很大的影响。所以空间维修和空间连接也是一样必不可少的。 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。 空间焊接技术的研究现状 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。 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，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。 而我国的神舟七号在2008年成功的实现了第一次宇航员太空行走，神舟九号和天宫一号在2012年成功对接都说明了我国在航空事业上的巨大的飞跃。更表明了我国在空间焊接上的巨大需求。 空间焊接技术的焊接方法 现在地面上常用的四种连接技术有，机械紧固、焊接、钎焊和粘接。但是太空中没有一个能满足需要的。 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。而针对我们的需求，一种崭新的钎焊工艺方法---真