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变极性等离子弧环缝焊接系统焊接天宫一号
“天宫一号”无疑是眼下最热门的词汇，电视、网络、报纸、广播，“天宫一号”频频现身。
升入太空260多天的时间里，天宫一号不仅运行稳定、状态正常，还与神舟九号载人飞船完成了自动、手控交会对接。
对很多人来说，天宫一号意味着航天科技的进步，意味着不久的将来我们能建造真正的“太空家园”。
而对陈树君来说，天宫一号还意味着更多的东西——见证了北京工业大学焊接技术研究团队的工作和努力。陈树君和他的团队应用自主研发的“变极性等离子弧（VPPA）穿孔立焊工艺及装备”，与北京卫星制造厂密切配合，完成了天宫一号主体结构的焊装工作。
“难就难在又薄又软，3米多的大壳子 最薄处只有两毫米厚，焊缝还要经受住太空环境的考验。”
“天宫一号的焊接，难就难在又薄又软，3米多的大壳子最薄处只有两毫米厚，焊缝还要经受住太空环境的考验。”6月21日，在接受科技日报记者专访时陈树君说。
作为我国首个进入太空的目标飞行器，天宫一号采用薄壁加筋结构，总长10.4米，****直径3350毫米，进入太空后，面临真空条件下的极端温差，对焊接工艺提出了严格的要求。
“我们国家的焊接自动化水平十分薄弱。2004年，北京卫星制造厂用手工先焊出了天宫一号的模样，变形非常严重。那时候，国际上像美国、加拿大等国家已经掌握了VPPA技术，并运用到航空领域。国际空间站节点舱的焊接就采用了VPPA技术。我们团队通过近10年的摸索，已经能够进行变极性等离子弧焊接了。2005年北京卫星制造厂派人到我们学校调研，认为VPPA技术优良，可以用于天宫一号的焊接。”
从那时起，陈树君他们的团队开始和天宫一号打起了“交道”，并和北京卫星制造厂就变极性等离子焊接工艺及装备的关键技术开展联合攻关。
“对天宫一号进行焊接，并不是 把铝合金材料放在地上或平铺在焊台上，而是垂直立向上焊接。”
“对天宫一号进行焊接，并不是把铝合金材料放在地上或平铺在焊台上，而是采用VPPA焊接技术，垂直立向上焊接。”陈树君告诉记者，“采用这种方式，焊缝气孔率极低、密封性好、精度高，是太空大型薄壁密封舱体的****焊接方式。”
虽然掌握了VPPA技术，但是要实现完美的焊接，还必须有送丝机、立式纵缝机床等外部工装的配合。“如果把VPPA焊接电源比作一个人的大脑，那么外部工装就是这个人的胳膊、腿。”陈树君说。“作为高校，没有条件亲自加工制作外部工装，而且时间也等不起，我们就和国内在焊接自动化工装设计与加工方面的优势企业——成都焊研科技发展有限公司商谈：我们有一项好的工艺技术，但是需要好的焊接车床配合。现在没有充足的科研经费，我们送你一台等离子焊机，你送我们一台立式纵缝机床怎么样？”提起当时的情况，陈树君很为自己的“创意”感到满意。
在成都焊研科技公司的大力支持下，2005年10月，ZFL-1000专用VPPA焊接机床到位，北京卫星制造厂的试验任务也到了。“当时真是扬眉吐气了，觉得自己有工具了。”陈树君回忆说，“卫星厂带来5对试板，除了第1对进行了工艺参数试验，其它4条焊缝都很好。随后，卫星厂的领导亲自带队，带着大量的焊接试板，专门来到我们实验室进行焊接稳定性试验，连续焊接10对试板，过程非常稳定。试验后对焊缝进行质量检验，焊缝质量获得了专家的认可。”
“先进行纵向焊接，再进行环状焊接。 四五十条缝最长的一条缝超过10米，要焊接一个半小时左右。”
“天宫一号采用铝合金璧板筒段焊接结构，从而保证了它的密封性和可靠性。”陈树君说，“焊接时，先进行纵向焊接，再进行环状焊接。天宫一号主体结构需要焊接四五十条缝，最长的一条缝超过10米，要焊接一个半小时左右。”
2007年，北京工业大学和529厂联合开发了环缝VPPA立焊工艺装备，率先采用VPPA立焊工艺完成了直径3320毫米的“天宫一号”的初样焊接，焊接质量获得专家的肯定；2008年双方联合开发成功超大型密封舱体VPPA焊接装备，全部采用VPPA工艺成功完成国内****直径4500毫米的铝合金舱体结构；2009年双方联合攻关，解决VPPA环缝焊接的收弧填孔问题，完成了“天宫一号”正样产品的焊接。
最终完工时，天宫一号进行氦质谱检漏，焊缝漏率完全满足航天工程I级焊缝标准，“确保了这间‘大房子’外壳严丝合缝。”陈树君说。
“希望今后VPPA穿孔立焊工艺及装备 能适用于不规则形状的焊缝，广泛应用于航天领域。”
由于对天宫一号的特殊贡献，2011年10月，陈树君和焊接技术研究团队带头人——北工大副校长卢振洋作为特殊的客人被邀请到酒泉卫星发射基地，现场观看“神八”和天宫一号的对接。“当时心情很激动，虽然有点紧张，但是对天宫一号很有信心。”陈树君回忆道，“记得天宫一号正样产品焊接完成后，北京卫星制造厂的领导问我焊缝有没有疏漏的地方？我仔细想了想，确实没有。”
2011年年底，载人航天总体部和北京卫星制造厂联合向北京工业大学赠送锦旗——保对接携手同心 征天宇共创辉煌。
对于团队的下一步研究目标，陈树君告诉记者，“过去的研究成果只适用于横的、竖的、圆的等规则的焊缝，希望今后VPPA技术能适用于不规则形状的焊缝，广泛应用于航空航天领域。
如今，陈树君和他的团队已经投入到了新项目中去——2011年6月，国家科技重大专项“航天器复杂曲线焊缝变极性等离子弧自动化焊接设备”项目立项；2012年5月，国家科技重大专项“载人航天器结构关键制造装备及柔性生产线”项目立项。
—————— 相关背景 ——————
VPPA焊接技术在美国被广泛应用于航空航天领域
铝合金以其低温特性、重量轻、强度高的优点，已被广泛地应用在航空航天、汽车和化工工业中，成为一种重要的加工材料。但是铝合金在空气中容易被氧化，其表面形成一层致密难熔、比重大的氧化膜，阻碍基体金属的熔合。
早在1978年，美国NASA宇航局马歇尔宇航中心决定采用VPPA焊接技术部分取代钨极氩弧焊（TIG）工艺焊接航天飞机外贮箱，航天飞机的外贮箱直径8m，材料为2219-T87铝合金，共焊接了900m焊缝，经100% X射线检测，未发现任何内部缺陷，焊缝质量比TIG多层焊明显提高。
上世纪90年代初美国波音公司采用此工艺方法焊接自由号空间站，焊接2080m焊缝，内部也实现了“无缺陷”。目前，美国航天飞机约90%的外贮箱焊缝均采用VPPA焊接工艺。
—————— 名词解释 ——————
变极性（VP）焊接电源：实质上是一种正负半波的幅值和时间都可调整的不对称交流方波电源，可以在保证合适阴极清理效果前提下减小钨电极的烧损和增加焊接熔深。
等离子弧（PA）焊接：将电钨极缩到水冷喷嘴内部，并在向喷嘴内部通入适量的氩气（一般称离子气），电弧就受到喷嘴孔径的“机械压缩”、喷嘴水冷的“热压缩”、离子气充分电离的“电压缩”的联合作用，能量密度高达50000瓦/平方毫米，电弧力也比普通电弧高数倍。
变极性等离子弧（VPPA）穿孔立焊技术：综合了“变极性焊接”“等离子弧焊接”和“穿孔焊接”的优点，同时为解决液相铝合金粘性小，熔池不易保持的问题，采用垂直立向上施焊方式，用先凝固的焊缝“托住”熔池。铝合金的VPPA穿孔立焊工艺使熔融金属向下流淌过程扩大了熔池液相金属表面积大幅增加了气泡的溢出机会，焊缝气孔率极低，被称为“无缺陷焊接工艺”。(科技日报) |
