航天铝合金等离子弧焊接接头,在腐蚀交替环
文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言航空航天工业在制造过程中，由于材料的复杂性，工艺的可控性和特殊性，使焊接结构的设计与制造非常困难。变极性等离子弧焊是一种新的焊接方法，它是利用焊接电弧的极性随着电流和电压的变化而改变来实现焊接过程控制的方法。
变极性等离子弧焊是一种独特的焊接方法，与普通等离子弧焊相比，它具有焊接效率高、焊缝成形好、焊缝和热影响区无裂纹和气孔、热影响区无夹渣、焊接过程稳定、焊接变形小等特点。
近年来，在航天工程中得到了越来越广泛的应用。本文主要介绍变极性等离子弧焊技术在航天领域中的应用，并对其进行总结和分析。
航天铝合金铝合金作为一种新型轻质高强材料，具有密度小、比强度高、热稳定性好、易加工等特点，同时还具有良好的耐磨性和耐蚀性，成为航天航空领域最重要的轻量化材料。
铝合金焊接接头是飞行器结构中的一个重要组成部分，其力学性能和组织结构直接影响着飞行器的可靠性和安全性。航天铝合金焊接接头性能主要受焊缝成形、热影响区组织和力学性能三方面因素影响。
（1）焊缝成形：铝合金焊接过程中，焊缝的成形对接头的性能有着重要的影响，在一定范围内，焊缝的熔宽越大，焊缝表面越光滑、美观，则其焊接接头性能越好。
但是当焊缝的熔宽大于一定值时，焊缝会出现表面裂纹、气孔等缺陷，焊接变形也随之增加。因此，合理控制焊缝熔宽是提高航天铝合金焊接接头性能的关键。
（2）热影响区组织是指在焊接过程中形成的晶界和位错等缺陷的总和。铝合金中存在多种化合物，其中以Al(OH)3、MgO和Al2O3为主要成分。这些化合物在高温下会产生晶界迁移现象，这些晶界迁移现象会导致铝合金热影响区组织性能发生变化。
（3）力学性能：航天铝合金焊接接头的力学性能主要取决于焊缝及热影响区的显微组织和微观结构。由于铝合金焊接过程中焊缝组织会发生改变，因此接头性能也会受到影响。
例如：在焊接铝合金时，如果焊丝表面附着氧化物会使熔深增加；如果焊缝中含有大量气孔会使焊丝表面发生氧化；如果焊接过程中出现较大变形会使焊缝内部产生残余应力和内应力。
航天铝合金及其应用领域铝合金是航空航天工业中广泛应用的材料，其中以铝合金最有代表性，其在航天领域中主要应用于航天器和运载火箭的结构部件上。在航天领域，铝合金具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀等特点，可用于制造航天飞行器的一些关键结构和设备。
（1）航天飞行器：包括各种卫星、运载火箭和航天飞机。由于铝合金具有很好的综合性能，因此在航天领域中得到了广泛的应用。
（2）航天器：航天器的研制、发射、回收和维护等过程都需要大量的铝合金结构。在航天器中，航天器主要包括各种运载火箭、空间站、航天飞机等。这些航天器都采用铝合金制造，这是因为铝合金具有高强度和高比强度，可以满足航天飞行器的需求。
（3）火箭：火箭是运载火箭的一种类型，其结构由发动机、燃料舱和其他部分组成。在火箭中，铝合金主要用于制造助推器、二级火箭等部件。
（4）航天飞机是一种一次性使用的太空飞行器，其结构包括发动机和机翼。在航天飞机中，机翼和发动机等关键部件都是铝合金材料制成的。
（5）运载火箭是由火箭发动机驱动的航天器。在运载火箭中，由于发动机性能和重量限制，以及为了降低成本而选择了铝合金材料制造的部件，如固体燃料火箭助推器和整流罩等部件。
（6）空间站：空间站是一种特殊的空间飞行器，其主要目的是在太空中进行长期停留和研究。在空间站中，由于空间狭小、环境恶劣、空间载荷等因素的影响，航天铝合金结构得到了广泛应用。
变极性等离子弧焊的特点和优势焊接效率高：变极性等离子弧焊采用两种不同的极性，即正（负）极极性和负极极性（正）极性，通过调节两种不同极性的电流和电压，可以实现对焊接电流、电压和焊接速度的调节，从而实现对焊接过程的控制。
与普通等离子弧焊相比，变极性等离子弧焊具有更高的焊接效率，特别是对于航空航天工业中焊接高强度铝合金和钛合金的场合。
焊缝成形好：变极性等离子弧焊能够在相同的焊接电流下获得较大的熔深，这是因为其焊丝具有较大的电压降，从而降低了电弧电压。通过调节正（负）极极性，可以控制熔池在窄而深的熔池中流动，以获得稳定而无缺陷的焊缝。
焊缝和热影响区无裂纹和气孔：变极性等离子弧焊采用两种不同的极性，即正（负）极极性和负极极性。通过调节正（负）极极性，可以控制电弧电压、电流、电流密度和熔化速率。与普通等离子弧焊相比，变极性等离子弧焊在焊接过程中没有气孔生成。
热影响区无夹渣：变极性等离子弧焊可以在不改变电弧电压、电流和焊接速度的情况下，通过调节焊接电弧电压和焊接速度来实现对焊接过程的控制。由于变极性等离子弧焊采用两种不同极性的电弧电压、电流和焊接速度来控制电弧电压和焊接速度，所以它不会产生熔渣。
焊接变形小：在相同条件下，采用普通等离子弧焊时，焊接变形量约为2mm。
采用变极性等离子弧焊时，由于采用了负极性（+）等离子弧，当电弧收缩时，使电弧产生的热量向下流动，使得熔池金属的温度降低，变形量减小。变极型电弧在焊接过程中由于正、负极相反的作用，使焊接热影响区减小，焊接变形小。
航天铝合金变极性等离子弧焊接头的腐蚀与疲劳交替研究航天铝合金变极性等离子弧焊接头在高低温循环下的疲劳性能研究表明，焊接接头的疲劳强度随温度变化呈现出周期性的波动，而其循环次数与温度呈线性关系。
高低温循环下，变极性等离子弧焊接头的疲劳强度远高于母材，说明变极性等离子弧焊具有良好的耐高温腐蚀性能。而在低周疲劳条件下，变极性等离子弧焊接头的疲劳强度却低于母材。
这主要是因为焊接接头中含有大量的碳化物颗粒和氧化膜，这些材料可以在循环过程中保持稳定，但同时也会消耗大量的能量。
基于此，对铝合金变极性等离子弧焊焊接接头进行了高低温循环下的腐蚀和疲劳交替试验研究，随着温度升高，铝合金变极性等离子弧焊接头中的碳化物和氧化膜逐渐增多、厚度增加、体积增大。
同时，接头表面会出现裂纹。随着温度降低，焊接接头中碳化物和氧化膜减少、体积减小、厚度降低；同时，接头表面会出现裂纹。这是由于焊缝金属中存在大量的亚稳态和不稳定缺陷所致。
对于焊接接头中碳化物和氧化膜的形成原因和机理进行了分析：在高低温循环下，焊缝金属中含有大量的亚稳态和不稳定缺陷。
在低周疲劳条件下，焊缝金属中存在大量的不稳定缺陷。在低周疲劳条件下，由于焊接接头表面上有大量的亚稳态和不稳定缺陷，因此会在表面上形成大量裂纹。
航天铝合金变极性等离子弧焊接头的应用前景变极性等离子弧焊是一种高效焊接方法，与传统的TIG焊接相比，它具有良好的焊接质量和更高的焊接效率。近年来，该技术在航天航空领域得到了广泛应用，包括：
（1）在火箭发动机的制造过程中，变极性等离子弧焊接头具有良好的抗拉强度、屈服强度、硬度和断裂韧性。
（2）在火箭发动机的生产过程中，由于火箭发动机在工作时需要承受高温高压环境和复杂的外部载荷，因此，火箭发动机焊接结构设计和制造非常困难。变极性等离子弧焊可以有效地解决火箭发动机焊接结构设计和制造中存在的问题。
（3）航天航空领域中普遍存在大量的铝合金材料，但铝合金材料焊接过程中易产生气孔、裂纹、夹渣等缺陷，从而影响接头的力学性能。
（4）在导弹的制造过程中，导弹在工作时会受到强烈的冲击载荷和振动载荷，因此导弹结构中必须设置相应的缓冲装置。
（5）在航天航空领域中，为了适应极端苛刻的服役环境条件，要求航天航空材料具有高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性等性能。变极性等离子弧焊技术具有良好的抗腐蚀和抗磨损性能。
（6）变极性等离子弧焊技术在航空航天领域具有广阔的应用前景。变极性等离子弧焊技术在材料焊接方面具有良好的优势，适用于大多数材料和大部分焊接方法。
笔者观点从上述分析中可以看出，航天铝合金变极性等离子弧焊焊接接头的腐蚀，是由焊接接头的局部腐蚀和母材腐蚀两部分组成，在焊接过程中，由于气体的参与，使局部的气体被加速，从而加速了母材表面的腐蚀。
此外，由于铝合金在焊接过程中产生大量的气孔和裂纹，因此也加速了母材表面的腐蚀。从上述分析可以看出，变极性等离子弧焊技术可以有效地解决铝合金材料在焊接过程中存在的一些问题，同时也为铝合金材料焊接工艺的创新提供了新思路。
变极性等离子弧焊技术在航天航空领域具有广泛的应用前景，并将成为未来航空航天铝合金焊接技术发展的重要方向之一。
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