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我國(guó)成功突破高強(qiáng)高韌鈦合金材料特殊焊接工藝

2021-06-23 14:27:49

       鈦合金是種好材料,比強(qiáng)度高、耐蝕性好,飛機(jī)設(shè)計(jì)上經(jīng)常要用到,但是這種材料加工起來(lái)比較難,尤其是異型件,好在現(xiàn)在3D打印技術(shù)的出現(xiàn),很好地解決了這一問(wèn)題。

  不僅航空裝備方面要用到鈦合金,航海設(shè)備方面也經(jīng)常要用到鈦合金材料,俄羅斯不就造出過(guò)鈦合金潛艇了嗎,可以下潛到1000多米的海水下面,隱蔽性更強(qiáng)。

  而如今,我國(guó)的海深載人潛水器也用上了鈦合金,而且潛深要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1000多米,比如我國(guó)的“奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器就曾在西太平洋馬里亞納海溝海域完成全部萬(wàn)米海試任務(wù),并創(chuàng)造了10909米的中國(guó)載人深潛新紀(jì)錄。

我國(guó)成功突破高強(qiáng)高韌鈦合金材料特殊焊接工藝(圖1)

我國(guó)成功突破高強(qiáng)高韌鈦合金材料特殊焊接工藝(圖2)

      一萬(wàn)多米的海水下面,水壓超過(guò)110兆帕,相當(dāng)于你的背上有2000頭非洲象。這么大的壓強(qiáng),“奮斗者”號(hào)怎樣才能實(shí)現(xiàn)硬核“抗壓”呢?

  靠的就是載人艙。為保證載客量,載人艙要大;為減輕潛水器負(fù)擔(dān),球艙不能重;為承受萬(wàn)米海壓,載人艙必須堅(jiān)固。又由于要長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水里,常規(guī)材料容易生銹、被腐蝕,用不了多久可能就要廢棄。

  最終,國(guó)產(chǎn)新型鈦合金材料登場(chǎng)了,既能承受海底的強(qiáng)大壓強(qiáng),又有出色的耐蝕性。

  但是問(wèn)題來(lái)了,“奮斗者”號(hào)載人艙由2個(gè)半球焊接而成,因其焊接位置類(lèi)似地球赤道,被稱(chēng)為赤道縫焊接。在研制過(guò)程中,由于載人艙赤道縫的焊接難題,一度讓“奮斗者”號(hào)項(xiàng)目面臨擱淺。

  最終,中國(guó)船舶集團(tuán)七二五所科研人員解決了這一難題,成功突破高強(qiáng)高韌鈦合金材料特殊焊接工藝,世界上首次應(yīng)用此類(lèi)技術(shù)一次性成功完成載人艙赤道縫焊接,為“奮斗者”號(hào)提供了堅(jiān)強(qiáng)保障。

我國(guó)成功突破高強(qiáng)高韌鈦合金材料特殊焊接工藝(圖3)

      這種焊接技術(shù),世界上沒(méi)有任何可供參考的先例,為保證項(xiàng)目成功,當(dāng)時(shí)“奮斗者”號(hào)項(xiàng)目共準(zhǔn)備5個(gè)半球:1個(gè)用于試驗(yàn),另外4個(gè)組成2個(gè)整球。2018年底,承擔(dān)1號(hào)球殼赤道縫焊接任務(wù)的單位遭遇始料未及的困難,七二五所臨危受命,承擔(dān)起2號(hào)球殼的赤道縫焊接任務(wù)。

  面臨嚴(yán)峻的形勢(shì)和僅剩的2個(gè)半球,意味著這次焊接只許成功,不許失敗。

  經(jīng)過(guò)科研人員數(shù)百次的試驗(yàn),終于在2019年6月17日23點(diǎn)30分,七二五所一次性完成“奮斗者”號(hào)的載人艙赤道縫焊接。

  世界第一,為我們了不起的科研工作者點(diǎn)贊!

  說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難,下面我們就來(lái)看看科研人員是如何解決焊接難題的。

我國(guó)成功突破高強(qiáng)高韌鈦合金材料特殊焊接工藝(圖4)

       據(jù)中國(guó)船舶集團(tuán)七二五所高級(jí)工程師、“奮斗者”號(hào)載人艙項(xiàng)目焊接技術(shù)負(fù)責(zé)人劉希林介紹:“根據(jù)我們前期的試驗(yàn)研究,唯一能采用的方法,國(guó)際上沒(méi)有人做過(guò),真正焊接的時(shí)候是否會(huì)出問(wèn)題,這個(gè)不好說(shuō),決定采用這種方法的時(shí)候,壓力還是非常大的,心里其實(shí)剛開(kāi)始的時(shí)候還是沒(méi)有譜的。后來(lái)我們是經(jīng)過(guò)了幾個(gè)階段吧,第一階段我們是試板級(jí)的焊接,第二階段就是焊了一個(gè)小的模型球,最后一個(gè)階段我們把工程化的1:1的試驗(yàn)樣機(jī)焊完了。每一個(gè)階段我們的把握不斷提升?!?/p>

我國(guó)成功突破高強(qiáng)高韌鈦合金材料特殊焊接工藝(圖5)

我國(guó)成功突破高強(qiáng)高韌鈦合金材料特殊焊接工藝(圖6)

我國(guó)成功突破高強(qiáng)高韌鈦合金材料特殊焊接工藝(圖7)

       最后的正式焊接開(kāi)始了:各系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒,啟動(dòng)焊接……

  終于成功了,又一項(xiàng)世界第一。

我國(guó)成功突破高強(qiáng)高韌鈦合金材料特殊焊接工藝(圖8)

       據(jù)中國(guó)船舶集團(tuán)七二五所高級(jí)工程師、“奮斗者”號(hào)載人艙項(xiàng)目執(zhí)行負(fù)責(zé)人呂逸帆介紹:“我們立足于挑戰(zhàn)世界巔峰,就是踐行深潛精神,勇攀高峰,我們要當(dāng)世界第一,站在這個(gè)角度,我們就要把這個(gè)赤道縫焊接技術(shù)給突破。在鈦合金領(lǐng)域來(lái)說(shuō),這個(gè)突破不單是對(duì)我們的載人艙,還有我們艦船用的特殊材料,對(duì)其它高強(qiáng)鈦合金材料,乃至整個(gè)鈦合金行業(yè),甚至對(duì)于一些原來(lái)我們認(rèn)為不能焊的,像鎳基高溫合金等等,這種技術(shù)都可以推廣應(yīng)用。而不單是我們赤道縫的焊接,包括我們整個(gè)載艙的創(chuàng)新點(diǎn),在各方面也是世界第一的。整個(gè)載人潛水器從各種性能指標(biāo)上來(lái)講,也是世界第一的。”

  注意上面加黑的文字,赤道縫焊接技術(shù)的突破,未來(lái)的應(yīng)用前景廣闊啊!

  說(shuō)了這么多,那么我國(guó)成功突破的高強(qiáng)高韌鈦合金材料特殊焊接工藝,究竟依靠什么設(shè)備來(lái)完成的呢?

我國(guó)成功突破高強(qiáng)高韌鈦合金材料特殊焊接工藝(圖9)

       注意上圖箭頭所指之處,它就是大功率真空電子束焊機(jī)。

  拆開(kāi)來(lái)看,就是大功率+真空+電子束焊機(jī)。

  先來(lái)解釋一下電子束焊接,這是一種利用電子束作為熱源的焊接工藝。電子束發(fā)生器中的陰極加熱到一定的溫度時(shí)逸出電子,電子在高壓電場(chǎng)中被加速,通過(guò)電磁透鏡聚焦后,形成能量密集度極高的電子束,當(dāng)電子束轟擊焊接表面時(shí),電子的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?,使焊接件的結(jié)合處的金屬熔融,當(dāng)焊件移動(dòng)時(shí),在焊件結(jié)合處形成一條連續(xù)的焊縫。

  所謂真空電子束焊機(jī),就是將要焊接的工件置于真空室中,一般裝夾在可直線移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的工作臺(tái)上。

  至于大功率,肯定就是應(yīng)對(duì)高強(qiáng)高韌鈦合金材料特殊焊接的需要了。


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