¿Cuáles son los requisitos para soldar aluminio?

Perspectivas de la tecnología de soldadura industrial de aleaciones de aluminio en el siglo XXI.

Se revisa brevemente el desarrollo de la tecnología de soldadura de aleaciones de aluminio industriales y se resume y analiza la aplicación de las aleaciones de aluminio en naves espaciales nacionales y extranjeras. Se presentan las últimas perspectivas de desarrollo y aplicación de la tecnología de soldadura de aleaciones de aluminio, incluida la soldadura por plasma de polaridad variable, la soldadura por haz de electrones en vacío parcial, la soldadura por impulsos de gas, la soldadura por fricción y agitación, la tecnología de reparación de soldadura, el margen del proceso de soldadura y la tecnología de evaluación de la seguridad de la estructura soldada.

Palabras clave: aleación de aluminio; soldadura; espacio

Hace 1

La aleación de aluminio no solo tiene alta resistencia específica, módulo específico y tenacidad a la fractura, sino que también tiene resistencia a la fatiga. y estabilidad de la resistencia a la corrosión, y tiene un buen proceso de conformado y soldabilidad, por lo que se ha convertido en el material estructural de metales no ferrosos más utilizado en la industria aeroespacial.

Por ejemplo, la aleación de aluminio es el principal material estructural de vehículos de lanzamiento y diversas naves espaciales. El módulo de comando, el módulo lunar, el tanque propulsor de hidrógeno y oxígeno y el módulo de tripulación de la nave espacial estadounidense Apollo también utilizaron aleación de aluminio como materiales estructurales. La aleación de aluminio también se utiliza ampliamente como material estructural principal para varios vehículos de lanzamiento a gran escala desarrollados en mi país.

El desarrollo y aplicación de la tecnología de soldadura de aleaciones de aluminio en la industria aeroespacial están estrechamente relacionados con el desarrollo de materiales. Este artículo revisará brevemente el desarrollo de la tecnología de soldadura de aleaciones de aluminio en la industria aeroespacial e introducirá varias tecnologías de soldadura de aleaciones de aluminio con grandes perspectivas de aplicación.

2 Desarrollo de la tecnología de soldadura de aleaciones de aluminio

2.1 Descripción general de la soldadura de aleaciones de aluminio LD10CS

Los materiales estructurales del tanque propulsor de algunos de los primeros misiles y vehículos de lanzamiento de largo alcance están hechos principalmente de al? Las aleaciones de la serie Mg, especialmente el aluminio inoxidable LF3 y LF6 en estados recocido y endurecido por trabajo semifrío, se utilizan ampliamente. Ambas aleaciones de aluminio tienen una excelente soldabilidad [1]. ?

Con el desarrollo de la tecnología aeroespacial, el material estructural de los tanques de propulsor de los vehículos de lanzamiento ha cambiado del aluminio inoxidable sin tratamiento térmico a una aleación de aluminio de alta resistencia con tratamiento térmico. La aleación LD10CS se ha utilizado con éxito en una variedad de vehículos de lanzamiento grandes y misiles sólidos. Debido a su excelente rendimiento a temperaturas ultrabajas, también se ha utilizado en tanques de propulsor de hidrógeno líquido y oxígeno líquido de tres etapas.

Cabe señalar que la soldabilidad de la aleación LD10 es pobre, tiene mayor tendencia a formar grietas en caliente durante la soldadura, y también es sensible a diversos factores durante el proceso de soldadura, y la tenacidad a la fractura. La resistencia de la junta soldada es relativamente baja, especialmente cuando hay defectos de soldadura en la soldadura, a menudo se producen explosiones de baja presión durante la prueba de resistencia hidráulica de la muestra.

En la década de 1970, en los primeros días del desarrollo de tanques propulsores de cohetes de aleación LD10, la tecnología de soldadura encontró grandes dificultades. El proceso de "soldadura de tres capas de doble cara" inventado en la investigación "tres en uno" (imprimación de la superficie frontal, superficie de cubierta, limpieza de la raíz posterior, sellado y soldadura) permite que el rendimiento de la junta soldada cumpla con los requisitos de diseño. . En la práctica de producción de soldadura de LD10, se concluye que si el alargamiento del área de la junta soldada no es inferior a 3, la plasticidad de la junta soldada puede cumplir con los requisitos de uso. En los años siguientes, se utilizó un "alargamiento no inferior a 3" como indicador de aceptación importante. ?

Durante décadas, la tecnología de soldadura ha sido principalmente la soldadura por arco de argón (TIG), incluyendo la soldadura por arco de argón manual y automática. En términos del proceso de soldadura, para reducir la tensión residual de la soldadura y la deformación de la estructura soldada, la entrada de calor de soldadura generalmente se reduce tanto como sea posible en la selección del proceso de soldadura. Especialmente para las aleaciones de aluminio reforzadas mediante tratamiento térmico, debido a la influencia del proceso térmico de soldadura, hay una zona de reblandecimiento en la zona afectada por el calor de soldadura, que tiene buena plasticidad y baja resistencia. El coeficiente de resistencia de las uniones soldadas es de 0,5 ~ 0,7. ?

¿Por qué el tanque LD10CS adopta un proceso de soldadura de tres capas de doble cara? El análisis teórico y los resultados prácticos muestran que si no se utiliza este método de soldadura, la plasticidad de la junta soldada de aleación de aluminio LD10CS será deficiente y aparecerán fácilmente grietas en el borde de la soldadura en la parte posterior de la soldadura. Cuando se realiza soldadura de tres capas de doble cara, la limpieza de raíces y la soldadura de sellado posterior pueden eliminar dichas grietas. Al mismo tiempo, debido al gran aporte de calor, se producen diversos grados de recocido o sobreenvejecimiento en la zona afectada por el calor, lo que reduce la dureza y mejora la plasticidad. El lugar de fractura de la muestra de tracción soldada es la zona de ablandamiento de la soldadura. De esta forma, en la estructura, la plasticidad y deformación de la zona reblandecida compensan la falta de plasticidad de la zona de fusión bajo estados tensionales complejos.

Sin embargo, a veces todavía se producen explosiones a baja presión después de reparar las soldaduras del tanque.

Debido a los requisitos especiales de la soldadura por ambas caras, la aplicación de la soldadura automática y las nuevas tecnologías de soldadura (como la soldadura por haz de electrones al vacío, la soldadura por plasma de polaridad variable, etc.). )limitado. Esto se debe a que el aporte de calor de soldadura de la soldadura por arco de argón es mayor que el de la soldadura por haz de electrones al vacío con haz de alta energía, y considerando la adaptabilidad de la tensión estructural de la junta soldada, es difícil aplicar nuevas tecnologías de soldadura con aporte de calor de soldadura concentrado. lo que restringe la aplicación de nuevas tecnologías de soldadura. ?

En la producción de soldadura, un defecto común en las soldaduras de aleaciones de aluminio son los poros de soldadura. El hidrógeno es la principal causa de los poros que se producen durante la soldadura por fusión del aluminio y sus aleaciones. El contenido de hidrógeno en el metal base, la humedad absorbida por la película de óxido en la superficie del alambre de soldadura y el metal base, y la humedad en la atmósfera de la columna de arco son fuentes importantes de hidrógeno en los poros de la soldadura. Los trabajadores de soldadura aeroespacial han hecho esfuerzos incansables para garantizar la entrega y el lanzamiento sin problemas de los productos de soldadura aeroespacial. Sin embargo, debido a la influencia de diversos factores y condiciones, todavía hay algunos poros fuera de tolerancia en la producción. ?

En cuanto a los materiales de soldadura, ¿se utilizan placas de soldadura especiales en el extranjero y el contenido de hidrógeno del metal base es inferior a 2×10-7? . Sin embargo, no existen requisitos para el contenido de hidrógeno en las condiciones técnicas nacionales de fabricación de placas de aleación de aluminio.

2.2 Descripción general de la soldadura de la aleación de aluminio 2219 y la aleación de aluminio-litio

Las características sobresalientes de la aleación de aluminio de alta resistencia 2219 son una buena soldabilidad y una buena mecánica en el rango de -253 ℃ a 200 ℃ Rendimiento y resistencia a la corrosión bajo tensión, baja sensibilidad a la soldadura de grietas calientes y la junta soldada tiene buena plasticidad y tenacidad a bajas temperaturas. Se ha utilizado como principal material estructural de los tanques de propulsor en los Estados Unidos. El tanque estadounidense Saturn VI utiliza una aleación de aluminio 2219. En la antigua Unión Soviética, la aleación de aluminio 1201 (equivalente a 2219) se utilizaba ampliamente en la energía del transbordador espacial y en Blizzard. ?

Al igual que la aleación de aluminio 2219, la aleación de aluminio S147 desarrollada en mi país tiene baja tendencia a producir grietas por soldadura, pero es altamente sensible a la generación de poros, especialmente en la zona de fusión y poros densos. cuales son los principales defectos que afectan el desempeño de las uniones soldadas.

Con el desarrollo de la tecnología aeroespacial, se han impuesto mayores requisitos a la resistencia y el adelgazamiento de las aleaciones de aluminio y litio. Las aleaciones de aluminio y litio se han desarrollado rápidamente en las últimas décadas. Porque por cada 1 Lican agregado, el peso de la aleación de aluminio disminuye en 3, el módulo elástico aumenta en 6 y el módulo elástico específico aumenta en 9. En comparación con las aleaciones 2024 y 7075 comúnmente utilizadas en productos aeronáuticos, la densidad de esta aleación se reduce de 7 a 11 y el módulo elástico aumenta de 12 a 65475. En comparación con la aleación de duraluminio (duraluminio) д 16 (2024) ampliamente utilizada, la aleación 120 de la antigua Unión Soviética tiene una densidad menor en 12, un módulo elástico aumentado en 6 ~ 8, buena resistencia a la corrosión, baja tasa de crecimiento de grietas por fatiga, resistencia y rendimiento La resistencia y el alargamiento son similares y la soldabilidad es buena [

El antiguo Instituto de Investigación de Materiales de Aviación Soviético (виам) инридляндер y otros inventaron al en la década de 1960. ¿MG? Se estudió la soldadura de la aleación Li serie 1420. Las investigaciones sobre la soldadura de esta aleación dieron sus frutos en los años 70. Creen que la AM se puede utilizar para la soldadura TIG de esta aleación. г6, soy? Usando alambre de soldadura г6T y 1557, el coeficiente de resistencia de la unión soldada alcanza más de 0,7. Los tratamientos térmicos previos y posteriores a la soldadura tienen un gran impacto en la resistencia de las uniones soldadas. La resistencia de la junta soldada en el estado templado es 78,5 MPa menor que en el estado de enfriamiento y envejecimiento artificial. El enfriamiento posterior a la soldadura y el envejecimiento artificial pueden hacer que el coeficiente de resistencia de la junta soldada alcance 0,9 ~ 1,0 en 1980, aleación 1420. se utilizó para fabricar el MiG-29 super. El fuselaje, los tanques de combustible y la cabina soldados del caza sónico reducen significativamente el peso del avión24. Hasta ahora, la aleación 1420 se ha utilizado con éxito durante más de 30 años y se utiliza ampliamente en aviones y cohetes militares y civiles [3].

En la década de 1980, Rusia desarrolló la aleación 1460 (Al? Cu? Li), que se reforzó añadiendo un elemento Sc, cambiando la estructura del grano y del subgrano y aumentando la resistencia a la tracción en un 30 ~ 50. MPa, la soldabilidad mejora significativamente. El proceso de soldadura de la aleación 1460 es básicamente el mismo que el del alambre de soldadura de aleación 1420 (Al? Cu? Mn), también se puede agregar elemento de escandio (Sc) al alambre de soldadura.

Después de las pruebas comparativas de cada componente, se recomienda utilizar alambre de soldadura CB-1207 o CB-1217. ¿La composición del alambre de soldadura es AL? Agregue cobre, escandio, circonio, titanio, etc. Sobre la base del Cu, es necesario comprender mejor la composición específica. La aplicación de este alambre de soldadura puede reducir significativamente la susceptibilidad de la soldadura al agrietamiento en caliente. La resistencia de la junta soldada por arco de argón es superior a 250 MPa, el coeficiente de resistencia de la junta soldada es superior a 0,5 y la resistencia y dureza de la junta soldada mejoran después del tratamiento térmico posterior a la soldadura. [4~8] Este tipo de alambre de soldadura puede garantizar que las juntas estén libres de grietas y tengan granos finos. Seleccionando racionalmente el proceso de soldadura y la preparación previa a la soldadura, se pueden obtener juntas soldadas sin poros.

El tanque exterior del transbordador espacial estadounidense Discovery utiliza una aleación de aluminio y litio de alta resistencia 2195 (Al? Cu? Li? Mg), que reemplaza a la aleación 2219 original que se ha utilizado durante 25 a 40 años. El SLWT (tanque ultraligero) de nuevo diseño es 5 o 3.405 kg más ligero que el tanque original, de los cuales el tanque LH2 pesa 1.907 kg, el tanque LO2 pesa 736 kg, la sección de la cabina pesa 341 kg y los demás pesan 422 kg. kilogramos. Por cada kg de reducción de peso, la carga útil se puede aumentar en 1 kg, aumentando así la carga útil en 3.405 kg. Estados Unidos produjo 120 SLWT y completó todos los programas de vuelos espaciales [9 ~ 10].

El tanque de aleación 2195-T8 se suelda utilizando alambre de soldadura 4043 y soldadura por arco de plasma de polaridad variable (VPPA). VPPA tiene alta temperatura de arco, alto voltaje de arco y calor más concentrado. La clave para la soldadura VPPA de la aleación de aluminio y litio 2195-T8 es la protección posterior de la soldadura. La aleación de aluminio y litio contiene un elemento de litio activo. Si la parte trasera no está bien protegida durante la soldadura, se oxidará fácilmente. El Marshall Flight Center desarrolló una "caja de protección" de acero inoxidable con una longitud de 229 mm, un ancho de 25,4 mm y una altura de 152 mm. La "caja de protección" viaja con la pistola de soldar durante la soldadura, liberando el oxígeno del interior. Área de soldadura inferior a 0,5. Además, se desarrolló e instaló un tubo de acero inoxidable con un diámetro de 51 mm y una longitud de 229 mm en la parte posterior de la pieza de trabajo. Puede moverse con la pistola de soldadura durante la soldadura y puede proteger eficazmente la soldadura posterior. Si estos dos dispositivos de protección se utilizan al mismo tiempo, el efecto será mejor.

3 Varias tecnologías prometedoras

3.1 Tecnología de soldadura por arco de plasma de polaridad variable (VPPA)

En 1978, el Centro Espacial Marshall de la NASA decidió utilizar plasma de polaridad variable. tecnología de soldadura por arco para reemplazar parcialmente el proceso de soldadura por arco de tungsteno para soldar los tanques de almacenamiento exteriores del transbordador espacial. El tanque exterior del transbordador espacial está hecho de aleación de aluminio 2219 con 6400 m de costura de soldadura. Después de 100 inspecciones con rayos X, no se encontraron defectos internos y la calidad de la soldadura mejoró significativamente en comparación con la soldadura multicapa TIG. ?

La soldadura de aleaciones de aluminio utiliza tecnología de soldadura por plasma de polaridad variable y el espesor de una sola pasada de aleación de aluminio puede alcanzar los 25,4 mm. La característica de su proceso es que durante el proceso de soldadura, hay un pequeño orificio en el centro del baño de soldadura. En la producción real, generalmente se usa el proceso de soldadura vertical, que no solo favorece la formación del borde frontal. la soldadura, pero también favorece el escape de hidrógeno en el baño fundido, reduciendo los defectos estomáticos. Por eso se llama "soldadura sin defectos". ?

Durante el Octavo Plan Quinquenal, basado en la introducción de un sistema de soldadura por plasma de polaridad variable de una empresa extranjera, se realizaron pruebas de procesos de soldadura para placas planas de aleación de aluminio LF6 y LD10 (espesores 3 mm, 6 mm, 10 mm) se realizaron [11]. ?

Durante el período del "Noveno Plan Quinquenal", llevamos a cabo una investigación conjunta sobre tecnología de soldadura por plasma de polaridad variable con el Instituto de Tecnología de Harbin y desarrollamos un prototipo de equipo de soldadura por plasma de polaridad variable. Se llevó a cabo la prueba del proceso de soldadura de placas de aleación de aluminio LF6 y LD10 (espesor 3 mm, 5 mm, 12 mm), se soldaron las partes de simulación del tanque de la costura longitudinal y la costura circunferencial, y se solucionaron los problemas de perforación y llenado del arco. así como los problemas de conectividad al inicio y final de la soldadura.

Con la aplicación de la aleación de aluminio 2219 y la aleación de aluminio-litio 2195, la tecnología de soldadura por plasma de polaridad variable tiene amplias perspectivas de aplicación en la futura producción de soldadura de tanques de almacenamiento de espesor medio y grande.

3.2 Tecnología de soldadura por haz de electrones en vacío parcial

Debido a que el proceso de soldadura por haz de electrones en vacío suelda la pieza de trabajo en un entorno de vacío, se pueden obtener soldaduras de alta calidad.

Al mismo tiempo, la alta densidad de energía del haz de electrones hace que la costura de soldadura sea estrecha, la relación de aspecto sea grande y la tensión y deformación de la soldadura sean pequeñas. Se ha utilizado ampliamente en diversos campos industriales, especialmente en la industria de defensa.

Pero para algunos componentes grandes, como la carcasa del tanque de un vehículo de lanzamiento, si se utiliza la tecnología de soldadura por haz de electrones en vacío, se requiere una gran cámara de vacío con un volumen de varios cientos de metros cúbicos. El equipo de soldadura por haz de electrones es muy caro. Para resolver este problema, los países extranjeros comenzaron a diseñar y aplicar equipos locales de soldadura por haz de electrones al vacío. En lugar de colocar toda la pieza de trabajo en una cámara de vacío, se establece un ambiente de vacío en la soldadura local para completar la soldadura.

La antigua Unión Soviética aplicó la tecnología de soldadura por haz de electrones en vacío parcial para soldar carcasas de tanques de combustible para cohetes de diferentes tipos y tamaños. La tecnología de soldadura por haz de electrones en vacío parcial se utiliza en la soldadura de la costura longitudinal, la costura de la junta a tope y la costura circunferencial de la brida de la carcasa. A principios de la década de 1990, se utilizaba para la soldadura de costura circunferencial de carcasas de φ2,5 m de diámetro. Las costuras longitudinales del tanque de almacenamiento de energía del cohete están parcialmente soldadas por haz de electrones al vacío, con un espesor de pared de 42 mm, y el sellado local utiliza sellado de fluido magnético, sellado de anillo de goma y otras tecnologías. ?

Durante el período del "Noveno Plan Quinquenal", se desarrolló una máquina doméstica de soldadura de costura circunferencial de brida con haz de electrones de vacío parcial (Patente No.: ZL 002631776.6) en cooperación con el Instituto de Ingeniería Eléctrica de China. Academia de Ciencias [12]. El cañón de electrones y la cámara de vacío superior adoptan una estructura de sellado dinámica, y la pieza de trabajo y las cámaras de vacío superior e inferior adoptan una estructura de sellado estática. El cañón de electrones puede lograr un movimiento de coordenadas polares durante el proceso de soldadura. El movimiento radial del cañón de electrones es impulsado por un motor paso a paso y el desplazamiento se detecta mediante una regla de rejilla. La rotación circular es impulsada por un servomotor de CA y el disco de código óptico detecta el desplazamiento angular. Se utiliza un sistema electrónico secundario de centrado del cordón de soldadura para realizar el aprendizaje de la trayectoria del cordón de soldadura. Utilizando el control por microcomputadora de dos niveles y el PLC que controla los parámetros de soldadura, se puede lograr una soldadura flexible, es decir, costuras de anillos de brida con un diámetro de 100 ~ 300 mm. El grado de vacío de la cámara de vacío parcial alcanza 5×10-3Pa, que es más alto que el de productos extranjeros similares. ?

En las estructuras de paredes gruesas de las futuras naves espaciales de aleación de aluminio 2219 y aleación de aluminio-litio 2195, especialmente en la producción de soldadura de costura circunferencial de bridas que requiere una alta tensión residual y deformación de la soldadura, la electrónica de vacío local La tecnología de soldadura por haz es de gran importancia. gran importancia para mejorar la calidad de la soldadura.

3.3 Tecnología de soldadura TIG y MIG por pulsos de gas

En la industria aeroespacial, los procesos TIG y MIG son ampliamente utilizados para la soldadura de aleaciones de aluminio, utilizando argón y helio como gases protectores, de los cuales argón. El gas se utiliza ampliamente.

En lo que a soldadura TIG se refiere, existen dos procesos: la soldadura por arco de argón AC y la soldadura por arco directo de helio DC. En comparación con el argón (Ar), el helio (He) tiene una energía de ionización mínima más alta y el voltaje del arco es mayor cuando otras condiciones y parámetros son los mismos. Por lo tanto, la temperatura del arco de la soldadura por arco de helio es alta, el aporte de calor de soldadura es grande y la densidad de energía es alta. En comparación con la soldadura por arco de argón, la soldadura por arco de helio tiene una mayor profundidad de penetración y menos defectos de soldadura, especialmente poros de soldadura.

Según los datos, la soldadura por arco de helio directo con CC no tiene el efecto de la atomización del cátodo para eliminar la película de óxido en la soldadura por arco de argón con CA. El grado de daño a la película de óxido depende de la longitud de la soldadura. arco, por lo que la soldadura directa por arco de helio CC utiliza un arco corto que elimina las películas de óxido. Esto hace que sea más difícil llenar el alambre durante la soldadura y, debido a las limitaciones del equipo y otros factores, la soldadura directa por arco de helio con CC no se ha utilizado ampliamente.

Para aprovechar el alto calor del arco de helio y evitar las desventajas causadas por el helio puro, las tecnologías de soldadura Ar He TIG y MIG de pulso de gas se utilizan en el extranjero para soldar aleaciones de aluminio, lo que puede reducir en gran medida los poros de soldadura. . ?

A partir de la experiencia extranjera, en los últimos años se ha iniciado la investigación sobre la tecnología de soldadura TIG por pulsos de gas. Las pruebas preliminares muestran que el proceso de soldadura TIG por pulso de gas (Ar He) tiene un efecto significativo en la supresión de poros en la soldadura de aleación de aluminio S147. La placa plana de 7 mm se puede penetrar de una sola vez, sin biseles, y el brillo de la superficie es el mismo que el de la soldadura por arco de argón, evitando el oscurecimiento de la superficie de la costura de soldadura por arco directo de helio CC. El proceso de soldadura y la operatividad son los mismos que los de la soldadura por arco de argón, y la longitud del arco no está particularmente limitada. Esto tiene un valor de aplicación importante para la aplicación de la aleación de aluminio S147 sensible a los poros y la aleación de aluminio-litio 2195 en futuros modelos de vehículos. ?

3.4 Tecnología de soldadura por fricción-agitación

Las aleaciones de aluminio se utilizan ampliamente en estructuras de aeronaves en la industria aeroespacial. Debido a la mala soldabilidad de algunos materiales, se deben utilizar estructuras remachadas.

La soldadura por fricción-agitación inventada por el Instituto de Soldadura (TWI) en 1991 proporcionó una nueva idea para la conexión de dichos materiales [13]. Dado que este método es soldadura en fase sólida, es particularmente adecuado para fundir metales no ferrosos con poca soldabilidad. En comparación con los métodos de soldadura por fusión, no produce defectos de soldadura relacionados con la fusión, como grietas y poros calientes. Sin embargo, debido a las limitaciones de este método, su aplicación se limita a piezas con estructuras simples.

El principio de la soldadura por fricción y agitación es utilizar el calor generado por la fricción para calentar rápidamente el metal alrededor de los dedos de forma especial del cabezal agitador giratorio de alta velocidad para formar una capa de metal termoplástico muy delgada. A medida que se mueve el cabezal agitador, se forma la costura de soldadura por fricción y agitación. En la actualidad, las aleaciones de aluminio que se han investigado con éxito en la soldadura por fricción-agitación incluyen: serie 2000 (Al? Cu), serie 5000 (Al? Mg), serie 6000 (Al? MG? Si), serie 7000 (Al? Zn) y serie 8000 (Al? Li). En 1998, el Laboratorio de Defensa Espacial de la American Pop Company aplicó esta tecnología a la soldadura de algunos componentes de cohetes. Actualmente, ESAB está fabricando una máquina comercial de soldadura por fricción y agitación, cuya instalación está prevista en TWI en 2002. Se utilizará para soldar piezas de trabajo con un tamaño de 8 m × 5 m. El espesor de las piezas que se pueden soldar es. Se espera que sea de 1,5 a 18 mm. Algunas universidades nacionales e institutos de investigación científica también han comenzado a trabajar en esta área. Hay razones para creer que la perspectiva de aplicación más prometedora de la tecnología de soldadura por fricción y agitación en China será la industria aeroespacial.

3.5 Tecnología de reparación por soldadura

La reparación por soldadura de piezas estructurales de aleación de aluminio es un problema inevitable que se encontrará en la producción y el uso de naves espaciales. En la producción de soldadura, debido a factores accidentales como materiales, estructuras, equipos, procesos, condiciones ambientales, etc., aparecerán defectos de soldadura excesivos después de la soldadura y se requerirá soldadura de reparación. Aunque el método tradicional de soldadura TIG manual es simple y fácil de operar, debido al gran aporte de calor de soldadura local, puede causar crecimiento de grano y reducción de tenacidad local. Al mismo tiempo, causa una gran tensión residual en la pieza de soldadura de reparación, lo que. a menudo se convierte en la fuente de grietas de la "voladura a baja presión". Por otro lado, los futuros vehículos de lanzamiento reutilizables pueden presentar defectos como grietas en algunas piezas tras su reutilización, que deberán repararse mediante soldadura. En este momento, el exterior del vehículo de lanzamiento está cubierto con material aislante del calor, que tiene requisitos muy estrictos sobre el aumento de temperatura, y se debe adoptar un proceso de soldadura con transferencia de calor concentrada y pequeña transferencia de calor.

La tecnología de soldadura por tapón de fricción [14] fue inventada por el Cambridge Welding Institute en el Reino Unido en 1995. Lockheed Martin y el Marshall Flight Center de la NASA llevaron a cabo investigaciones sobre tecnología de soldadura de reparación y la utilizaron en el año 2000 para reparar soldaduras en tanques de combustible externos. Esta es una nueva tecnología de reparación por soldadura. Taladre un orificio en forma de cuña en el defecto de soldadura e inserte un tapón giratorio en forma de cuña similar a la forma del orificio. Al girar a alta velocidad, el tapón completo en forma de cuña genera fricción y calor con la superficie del orificio para lograr la soldadura. Los parámetros de soldadura incluyen el diámetro del tapón, la velocidad de rotación, la presión aplicada y el desplazamiento del tapón. Es diferente de la reparación por soldadura por fusión, que requiere esmerilado y relleno repetidos para eliminar defectos. La resistencia de la reparación por soldadura es un 20% mayor que la de la reparación por soldadura por fusión TIG ordinaria, lo que mejora las propiedades mecánicas de la pieza reparada y hace que sea menos probable que se produzcan defectos de soldadura. El proceso de reparación también puede reducir significativamente el tiempo y los costos de reparación.

Además, algunas personas también han propuesto la idea de la soldadura de reparación por láser. La dificultad de la soldadura láser de aleación de aluminio es que la aleación de aluminio tiene una reflectividad superficial inicial extremadamente alta (por encima de 90) en el rayo láser de CO2 (la longitud de onda es de 10,6 μm), y la reflectividad del rayo láser YAG (la longitud de onda es de 1,06 μm) es cerca de 80. Además, los rayos láser de aleación de aluminio son propensos a formar poros. Estas cuestiones requieren más estudio.

3.6 Proceso de soldadura y tecnología de evaluación de la seguridad de la estructura soldada

Debido a la particularidad de los productos aeroespaciales, se pone gran énfasis en la calidad y confiabilidad del producto. Con el desarrollo de la tecnología de soldadura, constantemente se plantean nuevos requisitos para la calidad y confiabilidad de la soldadura de los productos aeroespaciales. En la producción real, la calidad del proceso de soldadura no solo depende de si la estructura objetivo se puede soldar, sino que también depende de si tiene una capacidad relativamente estable para hacer que la calidad de la soldadura cumpla con los estándares de aceptación del producto.

El concepto de "soldabilidad" responde a la pregunta de si se puede lograr la soldadura; el concepto de "margen del proceso de soldadura" propuesto por los soldadores aeroespaciales en la década de 1990 responde a la pregunta de si un proceso de soldadura puede cumplir con los estándares de calidad de la soldadura [15]. En otras palabras, el concepto de "margen del proceso de soldadura" es la base para la calificación del proceso de soldadura. Por ejemplo, la capacidad de garantizar la calidad de la soldadura se puede evaluar según el método de evaluación del margen del proceso de soldadura, que se divide en "proceso calificado", "proceso restringido" y "proceso prohibido". Por supuesto, todavía es necesario el trabajo experimental necesario para evaluar un proceso específico. Primero, debemos identificar los factores clave que afectan la calidad de la soldadura y luego podremos realizar una evaluación integral de estos factores.

Debido a las limitaciones del nivel técnico actual y las condiciones de producción, no es posible evaluar completamente todas las propiedades de las uniones soldadas únicamente mediante pruebas no destructivas de las uniones soldadas después de la soldadura. En la producción real, la detección actual de soldaduras de aleación de aluminio solo tiene varios defectos, como poros, inclusiones, grietas y penetración incompleta. Es difícil lograr una detección del 100%, especialmente para las soldaduras en ángulo. Incluso para los defectos de poros que son comunes en la soldadura de aleaciones de aluminio, la resolución de los rayos X actualmente sólo puede detectar poros de más de 0,2 mm, y los poros diminutos que tienen un mayor impacto en la plasticidad de la unión no se pueden determinar completamente. En resumen, el proceso de soldadura sigue siendo el factor directo que determina la calidad de la soldadura, por lo que es muy necesario evaluar científicamente las capacidades de garantía de calidad del proceso de soldadura en producción.

En vista de la evaluación de confiabilidad de estructuras soldadas, la tecnología de evaluación de seguridad de estructuras soldadas se ha desarrollado continuamente en los últimos 20 años. Aquí sólo introducimos el concepto de principio de “idoneidad para el uso” [16]. El principio de "idoneidad para el uso" va contra el principio de "perfección". En los inicios del desarrollo de las estructuras soldadas se exigía que no hubiera defectos durante los procesos de fabricación y uso, es decir, que la estructura fuera perfecta, de lo contrario sería reparada o desguazada, quien luego sirvió a Edgar Fuchs; Como director del Instituto de Investigación de Soldadura, pasó una gran cantidad de experimentos. Se demuestra que incluso si hay un cierto grado de poros en la junta soldada de aleación de aluminio, el impacto en la resistencia de la junta puede ser muy pequeño y realizar reparaciones innecesarias. aumentará la tensión residual local, cambiará negativamente la microestructura y provocará una disminución del rendimiento. A partir de esta investigación, el Instituto de Investigación sobre Soldadura propuso por primera vez el concepto de "aptitud para el uso". Después del surgimiento y aplicación generalizada de la mecánica de fractura, este concepto se convirtió en uno de los temas centrales de la investigación a largo plazo sobre estructuras soldadas y gradualmente se convirtió en un principio claramente definido. En algunos países se han establecido normas que aplican el principio de "aptitud para el uso" al diseño, fabricación y aceptación de estructuras soldadas.

En los criterios de evaluación de "aptitud para el uso", se deben ingresar tres parámetros, como la carga, los defectos similares a grietas y la tenacidad a la fractura. Los métodos de evaluación de la seguridad se pueden dividir a grandes rasgos en métodos de mecánica de fractura y pruebas estructurales. métodos.

4 Conclusión

La aleación de aluminio es uno de los principales materiales estructurales de los productos aeroespaciales. Con el desarrollo de la tecnología de materiales, la familia de aleaciones de aluminio crece día a día. En Estados Unidos y Rusia, se han utilizado ampliamente las aleaciones de aluminio 2219, 1201 y 1420, y también se utiliza la aleación de aluminio 2195. A nivel nacional, no se pueden ignorar las perspectivas de aplicación de S147 y S 2195 en futuros modelos aeroespaciales. Los vuelos espaciales tripulados y las naves espaciales reutilizables han impuesto mayores exigencias a la fiabilidad de las estructuras soldadas. Con la aparición de este proceso, la aplicación de nuevas tecnologías de soldadura en la producción de soldadura aeroespacial seguramente se desarrollará a pasos agigantados. La automatización de la soldadura y la garantía de alta calidad y alta confiabilidad serán los requisitos básicos para la tecnología de soldadura en el siglo XXI. En particular, la tecnología de soldadura de placas de aleación de aluminio y placas gruesas se convertirá en uno de los puntos calientes entre los trabajadores de soldadura aeroespacial en los últimos años.

Haz el examen y aporta

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12Liu Zhihua et al. Desarrollo de una máquina de soldadura por haz de electrones al vacío local con costura circunferencial de brida. Tecnología de materiales aeroespaciales, 2001 (3): 52 ~ 56?

13 Tang Wei et al. Soldadura por fricción-agitación y su aplicación en la unión de aleaciones de aluminio. Actas de la 9ª Conferencia Nacional de Soldadura, 1999: 529 ~ 532?

14 Reparación de soldadura de tapón de fricción del tanque externo del transbordador espacial. Soldadura e ingeniería; Fabricación de metales, 2000? 09: 6~8?

15 Liu Zhihua et al. Margen del proceso de soldadura y su aplicación en el control de calidad de la soldadura. Actas de la 47ª Conferencia Anual Internacional de Soldadura, Beijing, China, 1994. ?

16 Huo. Estado actual y avances de la tecnología de evaluación de la seguridad de estructuras soldadas. Actas de la 9ª Conferencia Nacional de Soldadura, 1999: 82 ~ 95.