宇航技術(shù)中所用的各類(lèi)火箭、衛星、飛船、星球車(chē)、空間站以及太陽(yáng)能電站等，它們的結構件、發(fā)動(dòng)機，以及所用的各種儀器等都有一些共同特點(diǎn)，不僅要求零部件質(zhì)量極為可靠，能經(jīng)受各種惡劣環(huán)境，如強力振動(dòng)，因日照變化引起的高低溫度交替沖擊，失重，宇宙線(xiàn)幅射，超高真空環(huán)境中運作；而且要求零件尺寸小，重量輕，氣密性好。因此，對宇航零部件的結構設計、材料選擇及加工工藝都提出了極為苛刻的要求，實(shí)踐證明為了滿(mǎn)足上述特點(diǎn)，電子束焊接技術(shù)是必不可少的強有力的工具之一。這是因為電子束焊接技術(shù)有以下一些特點(diǎn)：

(1)電子束焊接能量密度很高(106W/cm2)，對于任何材料，包括高熔點(diǎn)鎢、鉬等材料，其焊縫都能快速熔化。一般不用焊條，靠零件自身材料熔接而成。

(2)電子束焊接在真空中進(jìn)行，可防止材料氧化及其它有害氣體侵入。利用熔池與真空氣氛的壓差，有利于焊縫熔化金屬中所含氣體排出，減少焊縫氣孔，增加氣密性，提高焊縫強度都有好處。

(3)電子束焊接不僅能量密度高，而且因其特殊焊接機理可以獲得很大的焊縫深寬比，焊縫又深又窄，因而焊接零件變形小。對于較厚零件，采用100kW電子束焊機一次可焊透鋼200mm，采用普通焊接方法就需多次填充，會(huì )造成零件較大變形。

(4)焊接兩種物理性質(zhì)差異大(如熱傳導或熱容量)的材料所構成的零件時(shí)，兩種材料可同時(shí)瞬間熔化再快速凝固，如銅與鋼，極薄的零件與厚零件的焊接都可實(shí)現。

(5)電子束可以聚得很細，偏轉方便，所以可焊很精細零件?？珊鸽y以達到的焊接點(diǎn)，因此對特殊結構，和特別精細的零件用電子束焊接是非常適宜的。

(6)能量密度高，焊接速度快，熱影響區范圍很小，不會(huì )對臨近半導體器件或其它熱敏器件產(chǎn)生不良影響。

以下我們略舉幾種電子束焊接在宇宙航行中應用事例。

即將建設的空間站以及正在規劃的太陽(yáng)能電站，這些都需要用航天飛機，或運載火箭分成小塊運送到空間，再裝配而成，采用鉚接和螺栓聯(lián)接會(huì )大大增加結構重量，使用電子束焊接是最理想的，無(wú)需焊條，不會(huì )額外增加結構重量。在宇宙空間采用電子束焊另一優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需真空系統，大大簡(jiǎn)化了焊接設備。

圖1所示為美國六十年代研制成的宇宙空間用電子束焊機，為阿波羅登月艙維修用，這是因登月艙在著(zhù)落月球表面時(shí)，萬(wàn)一不慎沖擊力過(guò)大而將腿折斷，無(wú)法起飛返回地球，經(jīng)詳細分析，論證并經(jīng)科學(xué)實(shí)驗確認電子束焊接是最理想的并付之實(shí)現。未來(lái)的空間站及太陽(yáng)能電站長(cháng)年累月地在空間飛行，面積又大，難免受到隕石沖擊而損壞，同樣需要用電子束焊機來(lái)修補。

圖1　宇宙空間電子束焊機

宇宙航行用各類(lèi)器具其零部件焊接除一小部分需在宇宙空間完成焊接作業(yè)外(如上述)，大多數零部件可在地面完成。由于電子束焊接杰出的焊接性能，以及宇宙器具的特殊要求，故采用電子束焊接的零部件的品種、數量繁多，以下僅選取一些典型焊接例子。

現代化飛航和星際站要為人類(lèi)提供居住的氣氛，飛船和星際站內部充以成分與壓力相當于地球大氣的氣體，由于不可避免存在著(zhù)泄漏，就需從地球補送氣體。很明顯飛行器漏氣量越大，其補充量越大，給宇船帶來(lái)很大負擔。宇宙空間是超高真空，對飛行器的氣密性要求更高。如已使用過(guò)的雙子星座(飛船內乘二人來(lái)往于地球與月球間)，其氣氛維持不到二周，如果乘員增加，或航程變長(cháng)，尤其是在遠離地球，空氣無(wú)法得到補充的情況下，就會(huì )帶來(lái)嚴重問(wèn)題。因此對宇宙飛行器的氣密性提出了非常嚴格的要求，形成氣體泄漏有幾種因素，但飛行器焊接質(zhì)量是因素之一，經(jīng)試驗證實(shí)電子束焊接可獲得最小泄漏量。

美國阿波羅的載人登月艙，其采用的是可調節液體火箭發(fā)動(dòng)機，該發(fā)動(dòng)機的質(zhì)量關(guān)系到宇航員生命安全，要求焊接絕不能有缺陷，電子束焊接能滿(mǎn)足其要求，該發(fā)動(dòng)機共有64種零件采用電子束焊，其中流量控制由閥及其岐管組成，90%用電子束焊。其材料為321～347不銹鋼、6061鋁合金、17～4、17～7、PH不銹鋼和6A1～4V鈦，還有一些執行元件，測試基準和指令控制盒等，因電子束焊可輸入很小能量、變形很小又不會(huì )損壞焊接件中封存的電子元件和傳感器件。宇航用短時(shí)小型推力器如圖2所示：在外殼①中封存炸藥②、其噴口③是用0.05mm304不銹鋼薄膜④封住，當炸藥引燃后，高壓氣體沖破該膜而產(chǎn)生推力。要求①③④零件一次焊牢，由于結構需要，焊縫離炸藥僅1mm，在焊接封裝時(shí)炸藥表面溫度不能超過(guò)150℃，否則會(huì )引燃炸藥，只有用電子束焊接并嚴格控制其參數才能達到其要求。

圖2　宇宙飛行器助推器

空間飛行器的推進(jìn)器中有不少零部件因其結構與材料很特殊，采用電子束焊成功地解決了其疑難問(wèn)題。如有的星際飛行器，其推進(jìn)器用的是電火箭，其發(fā)射體使水銀或銫汽化并游離，其離子在加速極電勢作用下，從其表面拉出并加速到一定速度，形成所需推力，發(fā)射體的表面積越大，其游離量越大，效率越高，多孔鎢是最佳選擇。多孔鎢還需與支撐件鎢塊用電子束焊牢成一體，而該鎢支撐件又必須與鉭盒焊牢，但鉭與鎢直接熔焊，其合金變脆，而以鈦為中間介質(zhì)用電子束釬焊，而獲得無(wú)裂紋焊接。

鈦合金有高的強質(zhì)比，是宇航用重要結構材料。用氬弧焊，延性差，很脆，而用電子束焊，共焊接質(zhì)量好得多，如焊過(guò)5A1，2.5Sn;4A1，3Mo，1V；6A1，4V；13.5V，11Cr，3A1等，用電子束焊這些鈦合金焊縫強度能達到基材的等強度，其沖擊強度甚至比基材還高。鈹合金具有更高的強質(zhì)比，阿波羅飛船門(mén)的框架構件就用鈹合金，采用電子束焊接而成。圖3所示導彈殼體采用非真空電子束焊示意圖：

圖3　非真空電子束焊導彈殼體示意圖

工具鋼、熱加工模具鋼(5%Cr,0.4%C)適合于某些導彈和空間飛行器骨架用材，因價(jià)格較鈦合金低得多而具有競爭力，其極限強度為300，000psi，用局部電子束熱處理可以改善其特性。耐熔金屬如鎢、鉬、鉭、鈮等在宇航中應用面比較廣，但有強烈吸氣性和脆性?xún)A向，采用常規電弧焊質(zhì)量難以保證，而電子束焊接在真空中進(jìn)行，可以避免其吸氣，減少脆性，增加它們的它們的延性和耐沖擊強度。焊鉭與鉬材料，其焊縫強度可與基材相當。

有些零件的不同部位，將處在不同氣氛(如高或低溫，腐蝕與否；粉塵狀態(tài)等)和不同工作狀態(tài)(如負載大小與性質(zhì)差別，熱傳導的不同，硬度與耐磨要求等)下運行，用一種材料要滿(mǎn)足不同部件的不同要求，有時(shí)得放棄合理結構如改變結構、增加零件尺寸、重量、加工工序。電子束的優(yōu)越特性可很好地解決大多數異種金屬間的焊接難題，來(lái)滿(mǎn)足零件的理想結構。在宇航加工工藝中還會(huì )遇到一些非金屬材料如陶瓷、石墨、玻璃的焊接，或這些材料與高熔點(diǎn)金屬之間焊接難題，電子束焊接可順利解決。這些非金屬材料與非高熔點(diǎn)金屬之間熔焊技術(shù)尚未解決，但用電子束釬焊可解決這一難題，因高真空條件下用電子束蒸鍍鈦到零件表面，能起到潤濕作用，使釬焊料很易漫延而達到優(yōu)質(zhì)釬焊。電子束焊接能解決大多數異種材料焊接難題，這樣制造出來(lái)的零件其尺寸小，重量輕，性能好。

2　宇航用電子束焊機特殊要求

宇航零部件所用電子束焊接設備，大致分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是常規的電子束焊機。用來(lái)焊接可以在地面裝配的零部件，這一類(lèi)機器與普通電子束焊機相同，不再另述。另一類(lèi)是空間所用電子束焊機，美國與前蘇聯(lián)都已研制成功，因其必須運到空間去進(jìn)行焊接操作，故須適應空間特殊環(huán)境。

(1)重量輕、體積小。這是最關(guān)鍵指標之一。因為它靠火箭發(fā)射到空間，在空間宇航員還需背負整套設備進(jìn)行焊接操作。盡管無(wú)需真空系統，但高壓整流電源及電子槍等仍不可缺少，還需要有電池，美國研制登月用的電子束焊機，在地球上整機重量為150公斤，在月球上僅為26公斤。

(2)要對宇宙輻射線(xiàn)進(jìn)行仔細防護。由于宇宙空間沒(méi)有大氣防護，宇宙線(xiàn)的輻射非常強烈，它會(huì )對一些器件，尤其是半導體器件及絕緣材料起破壞作用，使一些零部件失靈，必須采取保護措施。

(3)需考慮失重狀態(tài)對各種零部件功能影響。

(4)宇宙空間是超高真空(＜10-12Pa)，其零部件必須適應該氣氛中工作。

(5)設備所用材料與元件，要經(jīng)得起空間溫度交變的影響(從-150 到+250 )。

宇宙航行用電子束焊機，美國與前蘇聯(lián)都研制出類(lèi)型相似的焊機。主機有新型空間用電池，為焊機提供能源，采用逆變器將電池供給的直流電轉變?yōu)楦哳l電，再經(jīng)變壓器升壓與整流，轉變?yōu)?0～30kV直流高壓供給電子槍。后者高壓檔次亦曾經(jīng)過(guò)深入實(shí)驗研究，加速電壓高了(80kV)雖然其聚焦性能好，但設備體積大，份量重，機動(dòng)性差，X射線(xiàn)防護復雜，不便宇宙空間使用；電壓在15kV以下就不必采用X射線(xiàn)防護，缺點(diǎn)是熔化深度與工作距離關(guān)系密切，電壓越低影響越明顯，在宇宙空間維修時(shí)主要靠手焊，將不可避免的會(huì )抖動(dòng)，由此引起的工作距離變化將帶來(lái)熔深、熔寬的顯著(zhù)變化，影響焊接質(zhì)量，因此宇航用電子槍加速電壓不希望低于20kV。美國研制登月修補用電子束焊機電子槍其功率為1.5kW，高壓為20kV，槍的尺寸(不包括把手)長(cháng)250mm，直徑75mm，帶把手重為4.35公斤(地面)。

在宇宙空間進(jìn)行焊接，因失重對焊縫成型機理是否會(huì )發(fā)生根本變化，能否順利進(jìn)行焊接，美、蘇二國在早期(還沒(méi)有飛船時(shí))曾利用飛機造成失重狀態(tài)進(jìn)行工藝研究，每次試驗能維持25秒鐘，焊接結果其焊縫形狀和熔化量與通常有重力條件下是一樣，僅在焊一些個(gè)別材料如AMT6出現一些大的氣孔，這是由于在超高真空條件下更易將把熔化金屬區內氣體析出所致，像鋁合金AMT6易蒸發(fā)性材料較易引起氣孔。雖然在宇宙空間焊接并未遇到原估計那么多的困難，但對焊接操作、參數規范等還需進(jìn)行嚴格控制。

要想在宇航技術(shù)中充分發(fā)揮電子束焊接這一先進(jìn)技術(shù)，一方面要研制適用于宇宙空間用的先進(jìn)的電子束焊接裝置，另一方面要深入研究在宇航特殊氣氛中的焊接工藝。

空間科學(xué)技術(shù)，包括載人飛船已列入我國科研規劃，宇航用電子束焊接技術(shù)是必不可少的，具有三十多年該方面科學(xué)技術(shù)積累的我國科技工作者，一定能配合好總體計劃，完成歷史賦于他們的使命。