編者語(yǔ)：空間電子束焊接技術(shù)作為一種空間焊接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為了航空專家們的研究熱點(diǎn)，目前，世界各主要航天大國(guó)均開展了空間電子束焊接技術(shù)的研究，同時(shí)，空間焊接裝置、微重力下的焊縫形成機(jī)理以及空間焊接結(jié)構(gòu)也將成為主要研發(fā)方向。

　　受運(yùn)載火箭運(yùn)載能力的限制，要實(shí)現(xiàn)在軌進(jìn)行組裝就必須盡可能縮小其體積和質(zhì)量，典型的空間站模式均為桁架結(jié)構(gòu)，材料通常選用輕質(zhì)合金，目前常用的連接方式有螺釘連接和焊接連接，而采用焊接結(jié)構(gòu)能夠有效地降低機(jī)構(gòu)的重量，提升構(gòu)件的整體性。根據(jù)前蘇聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)，一般均采取兩種連接方式相結(jié)合的桁架結(jié)構(gòu)。

　　此外，長(zhǎng)壽命航天飛行器在使用過(guò)程中，由于隕石和宇宙碎片的碰撞穿孔、太空射線輻射、空間溫度急劇變化以及空間材料本身的故障，空間飛行器的飛行超過(guò)2000個(gè)晝夜就需要維修。隨著飛行器飛行時(shí)間的增長(zhǎng)和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，故障率必然提高，在軌維修（包括空間焊接、切割和噴涂）技術(shù)必將成為保障航天飛行器安全可靠使用必不可少的措施。

　　因此，未來(lái)航天飛行器的空間組裝和在軌維修均離不開焊接技術(shù)，發(fā)展適用于空間環(huán)境的焊接技術(shù)顯得尤為必要。從國(guó)外多年的研究成果可以看出，電子束焊接已成為了空間焊接最主要的應(yīng)用技術(shù)。

　　發(fā)展歷程

　　為了在未來(lái)空間站進(jìn)行分離部件的組裝和維修，前蘇聯(lián)、美國(guó)和日本早在20世紀(jì)60年代初期就對(duì)空間結(jié)構(gòu)材料連接的方法進(jìn)行了一系列的研究。

　　美國(guó)20世紀(jì)60年代研制成功的宇宙空間用電子束焊機(jī)是為阿波羅登月艙維修而設(shè)計(jì)的，這是因?yàn)榈窃屡撛谠虑虮砻嬷憰r(shí)，如果因?yàn)闆_擊力過(guò)大不慎將起落支架折斷，就會(huì)無(wú)法起飛返回地球，經(jīng)過(guò)詳細(xì)分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們證明采用電子束焊接是最理想的方法。而未來(lái)的空間站及太陽(yáng)能電站長(zhǎng)年累月地在空間飛行，由于面積大，難免受到隕石沖擊而損壞，因此同樣需要用電子束焊接技術(shù)進(jìn)行修補(bǔ)。

　　美國(guó)于1964年出版的《電子束焊接手冊(cè)》公布了美國(guó)航空公司哈密爾頓分公司和美國(guó)空軍合作研究空間用電子束焊接裝置的消息。此外美國(guó)通用電氣公司和西屋公司也進(jìn)行過(guò)類似的研究。1973年美國(guó)發(fā)射的“天空實(shí)驗(yàn)室一號(hào)”空間站曾試驗(yàn)使用手持電子槍的方法，但此后未見(jiàn)到試驗(yàn)結(jié)果。

人類首次空間焊接

　　日本于1990年也開始進(jìn)行了在微重力條件下的焊接試驗(yàn)，其中包括電弧焊和電子束焊，并于1996年在深度為710m的礦井中進(jìn)行了試驗(yàn)。據(jù)報(bào)道，其電子束焊槍長(zhǎng)度為370mm，電壓為18kV，束流為80mA，但由于當(dāng)時(shí)其航天技術(shù)落后，因此未進(jìn)行空間焊接試驗(yàn)。

　　1965年，前巴頓焊接研究所在“Ty-104”飛機(jī)上建立了飛行實(shí)驗(yàn)室，利用飛機(jī)模擬失重環(huán)境，同時(shí)在艙內(nèi)建立了真空室，在此條件下進(jìn)行了焊接試驗(yàn)。1969年在“聯(lián)盟6號(hào)”飛船上進(jìn)行了首次空間試驗(yàn)，試驗(yàn)使用了一種名為“Bупкан”的自動(dòng)焊裝置，在空間微重力條件下同樣對(duì)弧焊、等離子焊和電子束焊進(jìn)行比較，試驗(yàn)表明與Ty-104飛機(jī)上試驗(yàn)結(jié)果是一致的。通過(guò)上述篩選試驗(yàn)，技術(shù)人員肯定了電子束方法是最適合太空條件的焊接方法，并于70年代初期研制了電子槍樣機(jī)。在近地軌道（距地面250～500km），大氣壓力約為1.8×10-4～1.0×10-5Pa的環(huán)境下，電子束焊接方法具有相對(duì)簡(jiǎn)單、高效的優(yōu)勢(shì)，且可用于航天工業(yè)中所有的金屬和合金。

　　1974年，在加加林宇航員訓(xùn)練中心（ЦПК），專家們首次進(jìn)行了手工電子槍模擬試驗(yàn)，其目的是評(píng)估身著宇航服的操作人員進(jìn)行手工焊接和切割操作的可能性，之后又進(jìn)行了多種形式和多次模擬試驗(yàn)，如在飛機(jī)上進(jìn)行失重模擬試驗(yàn)、水槽試驗(yàn)和真空環(huán)境模擬試驗(yàn)。最終在1984年7月17日，前蘇聯(lián)宇航員伊戈?duì)枴⒃岚菘品蚝退_維茨卡婭在“禮炮7號(hào)”空間站的外太空采用“VHT”電子束焊接系統(tǒng)共同完成了人類首次太空焊接切割等作業(yè)。

　　隨著軍事大國(guó)之間競(jìng)爭(zhēng)的加劇以及技術(shù)的保密性，后續(xù)報(bào)道較少。最新的相關(guān)報(bào)道是宇航員在國(guó)際空間站內(nèi)所進(jìn)行的釬焊試驗(yàn)。

　　應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

　　空間技術(shù)中所使用的各類火箭、衛(wèi)星、飛船、星球車、空間站以及太陽(yáng)能電站等裝置，其結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)以及相關(guān)的各種儀器的零部件質(zhì)量必須極為可靠，能經(jīng)受如強(qiáng)力振動(dòng)、因日照變化引起的高低溫度交替沖擊、失重、宇宙射線輻射和在超高真空環(huán)境中工作等各種惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，此外，這些零件還必須具有尺寸小、重量輕以及氣密性好等特點(diǎn)，因此，宇航零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及加工工藝都必須嚴(yán)格要求。實(shí)踐證明，電子束焊接技術(shù)可以滿足上述所有要求，這是由于電子束焊接技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

　　1.電子束焊接能量密度很高(107W/cm2)，對(duì)于任何材料包括高熔點(diǎn)鎢、鉬等，其焊縫都能快速熔化。一般不用焊條，靠零件自身材料即可熔接而成。

　　2.電子束焊接不僅能量密度高，而且由于其特殊的焊接機(jī)理，焊接零件可以獲得很大的焊縫深寬比，因而零件變形小。對(duì)于較厚零件，采用100kW電子束焊機(jī)一次可焊透200mm厚的鋼材，而采用普通焊接方法就需多次填充，還會(huì)造成零件較大變形。

　　3.焊接由兩種物理性質(zhì)差異大(如熱傳導(dǎo)或熱容量)的材料所構(gòu)成的零件時(shí)，兩種材料可同時(shí)瞬間熔化再快速凝固，能夠快速實(shí)現(xiàn)如銅與鋼、極薄的零件與厚零件等的焊接。

　　4.由于電子束可以聚得很細(xì)，偏轉(zhuǎn)方便, 可對(duì)難以達(dá)到的部位進(jìn)行焊接，因此非常適合于對(duì)特殊結(jié)構(gòu)和特別精細(xì)的零件進(jìn)行焊接。

　　5.能量密度高，焊接速度快，熱影響區(qū)范圍很小，不會(huì)對(duì)臨近半導(dǎo)體器件或其它熱敏器件產(chǎn)生不良影響。

　　我國(guó)即將建設(shè)的空間站以及正在規(guī)劃的太陽(yáng)能電站都需要使用航天飛機(jī)或運(yùn)載火箭將其分成小塊后再運(yùn)送到空間進(jìn)行裝配，如果采用鉚接和螺栓聯(lián)接就會(huì)大大增加結(jié)構(gòu)重量，采用電子束焊接則無(wú)需焊條，不會(huì)額外增加結(jié)構(gòu)重量。在宇宙空間采用電子束焊接的另一優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需真空系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了焊接裝置。與其他焊接方法需要大量的輔助裝置相比，電子束焊接裝置大大降低了對(duì)地天之間的運(yùn)輸要求。

　　此外，由于電子束能量密度高（大于107W/cm2)，熱效率超過(guò)90%，大大節(jié)約了空間站中來(lái)自于太陽(yáng)能電池的電能，對(duì)于空間焊接來(lái)說(shuō)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　發(fā)展方向

　　由于裝備是技術(shù)的載體，所以目前的空間焊接技術(shù)的研究熱點(diǎn)是對(duì)焊接裝置的研究，通常要求裝置盡可能地輕。美國(guó)20世紀(jì)60年代攜帶登陸月球的裝置，其質(zhì)量超過(guò)了100kg。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前空間電子束焊接裝置的質(zhì)量已經(jīng)控制在20kg以內(nèi)。

　　除了裝置的質(zhì)量外，裝置的易用性也十分重要，為此必須為電子束空間焊接裝置提供焊接參數(shù)的自動(dòng)設(shè)定功能。由于該功能是以電子束在微重力下焊接的焊縫形成機(jī)理為基礎(chǔ)，因此它也將成為空間電子束焊接技術(shù)的研究重點(diǎn)。

　　此外，對(duì)空間焊接部件結(jié)構(gòu)的研究，如何種結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕、強(qiáng)度好，容易進(jìn)行裝配焊接等也將成為人們的重點(diǎn)研發(fā)方向。

　　目前，除了美國(guó)、日本、俄羅斯和烏克蘭已對(duì)電子束焊接技術(shù)進(jìn)行了研究之外，我國(guó)也在積極進(jìn)行相關(guān)的研究工作，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)創(chuàng)立了太空焊接實(shí)驗(yàn)室。中國(guó)空間技術(shù)研究院也進(jìn)行了太空電子束焊接裝置電子槍的研究工作，并取得了一定的成果。北京航空制造工程研究所也十分關(guān)注該項(xiàng)技術(shù)，目前已經(jīng)對(duì)太空用電子槍和相關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并取得了一定的進(jìn)展。哈爾濱焊接研究所也已經(jīng)與國(guó)外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行著該技術(shù)的合作研究工作。相信不久的將來(lái)，我國(guó)必將在空間電子束焊接技術(shù)領(lǐng)域取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。