第一篇：让神舟的升空见证焊接的奇迹--访哈尔滨工业大学材料科学与工程学院院长冯吉才先生
让神舟的升空见证焊接的奇迹--访哈尔滨工业大学材料科学
与工程学院院长冯吉才先生
作者：本网编辑 文章来源：《MM现代制造》 点击数：613 发布时间：2010-07-14 新浪微博QQ空间人人网开心网更多
航空航天工业是一个国家综合国力的集中体现，是反映制造业能力与水平的最显著标志之一，也是新技术、新工艺和新材料等研究与应用的竞争领域。在航空航天的装备和材料加工的过程中，焊接技术始终处于至关重要的地位，我国“神舟”系列飞船的成功研制也无数次地向人们展示了焊接技术的魅力，为进一步了解航空航天焊接技术的发展趋势，本刊记者采访了哈尔滨工业大学材料科学与工程学院院长冯吉才教授。
MM：随着我国国民经济的持续高速发展，国家在航空航天设备制造方面不断加大投入，同样，我国的航空航天技术也得到了很大的进步，而您也见证了这些发展的主要历程，请您谈谈自身的感受。
冯吉才院长：我国的航空航天工业近年来发展得很快，这与国家的高度重视是分不开的，目前国家的中长期发展规划、国家重大专项、国家重点基础研究发展计划（973计划）以及国家高技术研究发展计划（863计划）等均包含了航空航天和先进制造的相关内容。材料加工技术作为航空航天设备制造领域的重要组成部分，在航空航天制造技术需求的牵引下也得到了快速发展，并取得了很多重大研究成果。
哈工大材料学院根据国家的需求和学科发展的趋势，在材料学、材料物理化学和材料加工工程等多个领域进行了深入的基础研究和应用研究。在国家的大力支持下，学院现已拥有国内惟一的现代焊接生产技术国家重点实验室、国防系统投资最多的金属精密热加工国防科技重点实验室、独具特色的空间环境材料行为
与评价技术国防科技重点实验室、国防科技焊接自动化技术研究应用中心以及先进航天材料与表面工程省重点实验室等。同时在科研方面紧密结合国家航天及国防领域的发展需求，开展以高性能先进材料为目的的应用基础研究；高效精密热成型先进制造技术研究；以先进新材料、功能材料为主，多种材料协调发展的基础及应用研究，并进行空间环境材料行为与评价技术研究。哈工大材料学院与航空航天装备制造业具有密切的关系，完成了多个重大航空航天项目，图1所示为哈工大材料学院参与完成的的载人航天空间环境模拟器(KM-6)的焊接现场，该模拟器为亚洲第一大、世界第三大立式模拟器，该项目曾获国防科技一等奖及国家科技进步二等奖，神舟系列飞船升空前均在其中成功地进行了实验。在国家政策的良好指引和引导下和国内诸多研究者的辛勤努力下，我国装备制造技术迅速发展，为航空航天工业的高速发展奠定了坚实的基础。
图1 载人航天空间环境模拟器焊接
MM：航空航天产业的快速发展，对焊接技术的要求也在不断提高，请简单介绍哈工大针对这一领域的焊接技术的研发情况？
冯吉才院长：随着科技的日益进步，航空航天领域对焊接技术的要求在不断提高，近几年用于航空领域的焊接技术也得到了飞速的发展，目前我们对于焊接技术的研究主要包括高效焊接、先进连接方法应用和新材料连接等几个方向，同时这几个方向又相互关联，研究高效焊接的主要目的是提高焊接效率和质量，其内容涉及到焊接自动化技术的应用、焊接设备的改进和焊接方法的改进。先进焊接方法的应用也是焊接领域发展的一个重要内容，以我所在的研究团队为例，多年来我们都在不断开展对扩散连接、电子束焊接（见图2）和搅拌摩擦焊三种焊接新技术研究，这三种方法也属于材料连接领域的前沿技术，目前这些研发工作主要在哈工大现代焊接生产技术国家重点实验室进行，其研究成果主要用于航空航天领域。
MM：在航空制造中，新型材料的应用与焊接质量密不可分，请为我们简单介绍一下新型材料以及相关的焊接技术？
冯吉才院长：目前，航空航天领域应用的新材料主要分为金属材料和非金属材料两类，其中金属材料应用较多，主要包括新型钛合金、铝合金和高温合金；非金属材料包括新型陶瓷材料和复合材料等，这些材料具有优良的耐高温耐磨损等性能，主要应用于隔热材料或者高温部件。随着新型材料的不断涌现，对新型材料连接技术的研究已成为新材料应用中一个重要问题。目前对于钛合金和高温合金的高精密连接主要采用电子束焊接方法，某些钛合金复杂构件的焊接则需用到钎焊技术（见图3）；对于铝合金焊接目前最先进的技术是采用搅拌摩擦焊方法；对于非金属材料的连接，主要采用钎焊、扩散连接以及反应连接技术。
图2 薄壁铝合金水升华器部件的电子束焊接构件
MM：新型材料的应用，使异种材料的连接技术更为关键，请问异种材料目前的使用情况如何？ 还存在哪些问题？
冯吉才院长：异种材料连接是焊接领域研究的难点和热点问题之一，由于不同材料在物理性质、化学性能等方面存在差异，因此在连接过程中就会出现更多问题。以火箭发动机喷管喉衬部分为例，当火箭发动机点火时，该部位瞬间就会受到高达3000℃左右的燃气冲刷，因此对材料有更高的要求，目前主要以陶瓷基复合材料、陶瓷梯度材料、C/C复合材料表层涂覆陶瓷涂层和BN基陶瓷复合材料等新型材料为主，这几种材料的连接具有更高的难度，如何对这些材料更好地连接是我们下一步急需解决的问题。
目前，我们项目组也在异种材料连接领域进行了重点的攻关，对于异种金属材料连接，很多时候需采用扩散连接或钎焊技术，迄今为止我们已经成功实现了Al2O3陶瓷与不锈钢、石墨与铜、铝和不锈钢、铜和不锈钢、钛和铝、C/C复合材料与钛合金等异种材料的连接，研究目的主要针对航空航天产品应用，研究成果受到了航空航天专家的高度认可。通过总结国内研究成果，我们认为目前在异种材料连接的质量检测和可靠性方面还要加大研究力度，争取早日建立相应的标准，这样才能严格保证航空航天产品的质量。
图3 发动机用钛合金钎焊构件
MM：我国制造的“神舟”系列飞船中，您和您的团队担当了很多重要部件的研制工作，请问在研制过程中您以及您的团队自主研发了哪些新的焊接技术？对于我国未来航空航天焊接技术和材料的发展，您有着怎样的期待？
冯吉才院长：哈工大的研究成果为“神舟”系列飞船的顺利发射做出了很大贡献，尤其在神舟系列飞船研制过程中，哈工大承担了多个中国载人航天工程重点建设项目，材料学院承担了空间环境模拟器（KM6）研制、飞船返回舱的焊接变形控制等。在载人航天二期工程中，我们团队参与承担了航天员太空出舱活动“地面失重训练用模拟失重训练水槽”（见图4）和“舱外航天服核心部件——水升华器”的研制工作。水升华器是舱外宇航服的核心部件，宇航服内侧的温度、湿度及压力由该部件控制，其安全性和可靠性能的好坏直接关系到航天员的生命安全，国外对其设计和制造技术实行了封锁。哈工大现代焊接生产技术国家重点实验室组成了以电子束焊接技术为主的研究小组，与航天医学工程研究所共同努力，在大量试验的基础上，对设计方案提出修改意见，突破了电子束焊接熔池图像传感与质量监测、密闭接头的熔透控制和焊接应力变形控制，形成了具有自主知识产权的焊接新技术，研制出了水升华器组件，并实现了小批量生产。该技术采用薄壁铝合金焊接制造，结构复杂，要求焊接变形精度极高。目前，国产航天服所用的该部件全部由哈工大焊接国家重点实验室焊接,为我国的载人航天事业做出了贡献。
图4 宇航员训练水槽的焊接制造
“地面失重训练用模拟失重训练水槽”的制造是我们团队的另一项重要工作，失重水槽槽体是一个薄壁的筒体，这种薄壳的组装和焊接对设计要求的尺寸精度有很大的影响。失重水槽还有多个观察窗及多个照明窗，这些大口径、大厚度的窗体法兰同薄壁的筒体进行焊接时，焊接变形非常难以控制。照明窗里面直接接触到水，外面还有2kW的灯高温照射，为了保持其性能的稳定，设计要求必须用石英玻璃。哈工大项目组会同载人航天工程指挥部，一起在全国范围寻找能生产符合要求的石英玻璃原料的厂家，最终在哈尔滨通河县找到了合适的厂家。项目组全体成员的通力合作，最终完成了失重水槽的项目，为航天员失重训练提供了基础设施。
我国的航空航天焊接技术具有良好的工作基础和广阔的发展前景，相信在全体焊接技术工作者的共同努力下，我国未来的航空航天领域焊接技术必将获得更大程度的进展。
“目前在异种材料连接的质量检测和可靠性方面还要加大研究力度，争取早日建立相应的标准，这样才能严格保证航空航天产品的质量。”
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