第一篇：讓神舟的升空見證焊接的奇跡--訪哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長馮吉才先生

讓神舟的升空見證焊接的奇跡--訪哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)

與工程學(xué)院院長馮吉才先生

作者：本網(wǎng)編輯 文章來源：《MM現(xiàn)代制造》 點(diǎn)擊數(shù)：613 發(fā)布時(shí)間：2010-07-14 新浪微博QQ空間人人網(wǎng)開心網(wǎng)更多

航空航天工業(yè)是一個(gè)國家綜合國力的集中體現(xiàn)，是反映制造業(yè)能力與水平的最顯著標(biāo)志之一，也是新技術(shù)、新工藝和新材料等研究與應(yīng)用的競爭領(lǐng)域。在航空航天的裝備和材料加工的過程中，焊接技術(shù)始終處于至關(guān)重要的地位，我國“神舟”系列飛船的成功研制也無數(shù)次地向人們展示了焊接技術(shù)的魅力，為進(jìn)一步了解航空航天焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢，本刊記者采訪了哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長馮吉才教授。

MM：隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，國家在航空航天設(shè)備制造方面不斷加大投入，同樣，我國的航空航天技術(shù)也得到了很大的進(jìn)步，而您也見證了這些發(fā)展的主要?dú)v程，請(qǐng)您談?wù)勛陨淼母惺堋?/p>

馮吉才院長：我國的航空航天工業(yè)近年來發(fā)展得很快，這與國家的高度重視是分不開的，目前國家的中長期發(fā)展規(guī)劃、國家重大專項(xiàng)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）以及國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）等均包含了航空航天和先進(jìn)制造的相關(guān)內(nèi)容。材料加工技術(shù)作為航空航天設(shè)備制造領(lǐng)域的重要組成部分，在航空航天制造技術(shù)需求的牽引下也得到了快速發(fā)展，并取得了很多重大研究成果。

哈工大材料學(xué)院根據(jù)國家的需求和學(xué)科發(fā)展的趨勢，在材料學(xué)、材料物理化學(xué)和材料加工工程等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了深入的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。在國家的大力支持下，學(xué)院現(xiàn)已擁有國內(nèi)惟一的現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國防系統(tǒng)投資最多的金屬精密熱加工國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、獨(dú)具特色的空間環(huán)境材料行為

與評(píng)價(jià)技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國防科技焊接自動(dòng)化技術(shù)研究應(yīng)用中心以及先進(jìn)航天材料與表面工程省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。同時(shí)在科研方面緊密結(jié)合國家航天及國防領(lǐng)域的發(fā)展需求，開展以高性能先進(jìn)材料為目的的應(yīng)用基礎(chǔ)研究；高效精密熱成型先進(jìn)制造技術(shù)研究；以先進(jìn)新材料、功能材料為主，多種材料協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，并進(jìn)行空間環(huán)境材料行為與評(píng)價(jià)技術(shù)研究。哈工大材料學(xué)院與航空航天裝備制造業(yè)具有密切的關(guān)系，完成了多個(gè)重大航空航天項(xiàng)目，圖1所示為哈工大材料學(xué)院參與完成的的載人航天空間環(huán)境模擬器(KM-6)的焊接現(xiàn)場，該模擬器為亞洲第一大、世界第三大立式模擬器，該項(xiàng)目曾獲國防科技一等獎(jiǎng)及國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，神舟系列飛船升空前均在其中成功地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在國家政策的良好指引和引導(dǎo)下和國內(nèi)諸多研究者的辛勤努力下，我國裝備制造技術(shù)迅速發(fā)展，為航空航天工業(yè)的高速發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 載人航天空間環(huán)境模擬器焊接

MM：航空航天產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)焊接技術(shù)的要求也在不斷提高，請(qǐng)簡單介紹哈工大針對(duì)這一領(lǐng)域的焊接技術(shù)的研發(fā)情況？

馮吉才院長：隨著科技的日益進(jìn)步，航空航天領(lǐng)域?qū)附蛹夹g(shù)的要求在不斷提高，近幾年用于航空領(lǐng)域的焊接技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展，目前我們對(duì)于焊接技術(shù)的研究主要包括高效焊接、先進(jìn)連接方法應(yīng)用和新材料連接等幾個(gè)方向，同時(shí)這幾個(gè)方向又相互關(guān)聯(lián)，研究高效焊接的主要目的是提高焊接效率和質(zhì)量，其內(nèi)容涉及到焊接自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用、焊接設(shè)備的改進(jìn)和焊接方法的改進(jìn)。先進(jìn)焊接方法的應(yīng)用也是焊接領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容，以我所在的研究團(tuán)隊(duì)為例，多年來我們都在不斷開展對(duì)擴(kuò)散連接、電子束焊接（見圖2）和攪拌摩擦焊三種焊接新技術(shù)研究，這三種方法也屬于材料連接領(lǐng)域的前沿技術(shù)，目前這些研發(fā)工作主要在哈工大現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，其研究成果主要用于航空航天領(lǐng)域。

MM：在航空制造中，新型材料的應(yīng)用與焊接質(zhì)量密不可分，請(qǐng)為我們簡單介紹一下新型材料以及相關(guān)的焊接技術(shù)？

馮吉才院長：目前，航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的新材料主要分為金屬材料和非金屬材料兩類，其中金屬材料應(yīng)用較多，主要包括新型鈦合金、鋁合金和高溫合金；非金屬材料包括新型陶瓷材料和復(fù)合材料等，這些材料具有優(yōu)良的耐高溫耐磨損等性能，主要應(yīng)用于隔熱材料或者高溫部件。隨著新型材料的不斷涌現(xiàn)，對(duì)新型材料連接技術(shù)的研究已成為新材料應(yīng)用中一個(gè)重要問題。目前對(duì)于鈦合金和高溫合金的高精密連接主要采用電子束焊接方法，某些鈦合金復(fù)雜構(gòu)件的焊接則需用到釬焊技術(shù)（見圖3）；對(duì)于鋁合金焊接目前最先進(jìn)的技術(shù)是采用攪拌摩擦焊方法；對(duì)于非金屬材料的連接，主要采用釬焊、擴(kuò)散連接以及反應(yīng)連接技術(shù)。

圖2 薄壁鋁合金水升華器部件的電子束焊接構(gòu)件

MM：新型材料的應(yīng)用，使異種材料的連接技術(shù)更為關(guān)鍵，請(qǐng)問異種材料目前的使用情況如何？ 還存在哪些問題？

馮吉才院長：異種材料連接是焊接領(lǐng)域研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題之一，由于不同材料在物理性質(zhì)、化學(xué)性能等方面存在差異，因此在連接過程中就會(huì)出現(xiàn)更多問題。以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯部分為例，當(dāng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，該部位瞬間就會(huì)受到高達(dá)3000℃左右的燃?xì)鉀_刷，因此對(duì)材料有更高的要求，目前主要以陶瓷基復(fù)合材料、陶瓷梯度材料、C/C復(fù)合材料表層涂覆陶瓷涂層和BN基陶瓷復(fù)合材料等新型材料為主，這幾種材料的連接具有更高的難度，如何對(duì)這些材料更好地連接是我們下一步急需解決的問題。

目前，我們項(xiàng)目組也在異種材料連接領(lǐng)域進(jìn)行了重點(diǎn)的攻關(guān)，對(duì)于異種金屬材料連接，很多時(shí)候需采用擴(kuò)散連接或釬焊技術(shù)，迄今為止我們已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了Al2O3陶瓷與不銹鋼、石墨與銅、鋁和不銹鋼、銅和不銹鋼、鈦和鋁、C/C復(fù)合材料與鈦合金等異種材料的連接，研究目的主要針對(duì)航空航天產(chǎn)品應(yīng)用，研究成果受到了航空航天專家的高度認(rèn)可。通過總結(jié)國內(nèi)研究成果，我們認(rèn)為目前在異種材料連接的質(zhì)量檢測和可靠性方面還要加大研究力度，爭取早日建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能嚴(yán)格保證航空航天產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金釬焊構(gòu)件

MM：我國制造的“神舟”系列飛船中，您和您的團(tuán)隊(duì)擔(dān)當(dāng)了很多重要部件的研制工作，請(qǐng)問在研制過程中您以及您的團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了哪些新的焊接技術(shù)？對(duì)于我國未來航空航天焊接技術(shù)和材料的發(fā)展，您有著怎樣的期待？

馮吉才院長：哈工大的研究成果為“神舟”系列飛船的順利發(fā)射做出了很大貢獻(xiàn)，尤其在神舟系列飛船研制過程中，哈工大承擔(dān)了多個(gè)中國載人航天工程重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，材料學(xué)院承擔(dān)了空間環(huán)境模擬器（KM6）研制、飛船返回艙的焊接變形控制等。在載人航天二期工程中，我們團(tuán)隊(duì)參與承擔(dān)了航天員太空出艙活動(dòng)“地面失重訓(xùn)練用模擬失重訓(xùn)練水槽”（見圖4）和“艙外航天服核心部件——水升華器”的研制工作。水升華器是艙外宇航服的核心部件，宇航服內(nèi)側(cè)的溫度、濕度及壓力由該部件控制，其安全性和可靠性能的好壞直接關(guān)系到航天員的生命安全，國外對(duì)其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)實(shí)行了封鎖。哈工大現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組成了以電子束焊接技術(shù)為主的研究小組，與航天醫(yī)學(xué)工程研究所共同努力，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)方案提出修改意見，突破了電子束焊接熔池圖像傳感與質(zhì)量監(jiān)測、密閉接頭的熔透控制和焊接應(yīng)力變形控制，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的焊接新技術(shù)，研制出了水升華器組件，并實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)。該技術(shù)采用薄壁鋁合金焊接制造，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求焊接變形精度極高。目前，國產(chǎn)航天服所用的該部件全部由哈工大焊接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室焊接,為我國的載人航天事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。

圖4 宇航員訓(xùn)練水槽的焊接制造

“地面失重訓(xùn)練用模擬失重訓(xùn)練水槽”的制造是我們團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)重要工作，失重水槽槽體是一個(gè)薄壁的筒體，這種薄殼的組裝和焊接對(duì)設(shè)計(jì)要求的尺寸精度有很大的影響。失重水槽還有多個(gè)觀察窗及多個(gè)照明窗，這些大口徑、大厚度的窗體法蘭同薄壁的筒體進(jìn)行焊接時(shí)，焊接變形非常難以控制。照明窗里面直接接觸到水，外面還有2kW的燈高溫照射，為了保持其性能的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)要求必須用石英玻璃。哈工大項(xiàng)目組會(huì)同載人航天工程指揮部，一起在全國范圍尋找能生產(chǎn)符合要求的石英玻璃原料的廠家，最終在哈爾濱通河縣找到了合適的廠家。項(xiàng)目組全體成員的通力合作，最終完成了失重水槽的項(xiàng)目，為航天員失重訓(xùn)練提供了基礎(chǔ)設(shè)施。

我國的航空航天焊接技術(shù)具有良好的工作基礎(chǔ)和廣闊的發(fā)展前景，相信在全體焊接技術(shù)工作者的共同努力下，我國未來的航空航天領(lǐng)域焊接技術(shù)必將獲得更大程度的進(jìn)展。

“目前在異種材料連接的質(zhì)量檢測和可靠性方面還要加大研究力度，爭取早日建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能嚴(yán)格保證航空航天產(chǎn)品的質(zhì)量?！?/p>