大直徑2A14鋁合金壓力容器橢圓形封頭結(jié)構(gòu)研究

田志杰　劉　娟　李聰穎　曹　娜　馬麗翠　李　蕊

首都航天機械公司　北京　100076

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大直徑2A14鋁合金壓力容器橢圓形封頭結(jié)構(gòu)研究

田志杰*劉娟李聰穎曹娜馬麗翠李蕊

首都航天機械公司北京100076

為了滿足運載火箭減重需要及大直徑2A14鋁合金壓力容器橢圓形封頭等匹配結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用母材與焊縫分別設(shè)計的方式，在0.56MPa承載條件下，計算得到母材設(shè)計厚度為4.2mm，焊接區(qū)設(shè)計厚度為7.0mm。采用單側(cè)減薄的加工工藝可獲得符合要求的不等厚零件，焊縫加厚區(qū)的寬度不小于40mm。Φ3350mm直徑鋁合金封頭結(jié)構(gòu)采用8塊分瓣、45°均分的形式，封頭頂蓋直徑為Φ1400mm。

鋁合金封頭低匹配焊接

運載火箭貯箱是一種特殊的壓力容器，隨著我國航天工業(yè)的發(fā)展，對運載火箭貯箱的需求及安全性要求越來越高，而封頭是壓力容器的重要承壓部件，對封頭的成形精度要求也相應(yīng)提高。在壓力容器設(shè)計中，封頭種類分為半球形、橢圓形、碟形、球冠形、錐形、平底形，其中橢圓形封頭作為一種受力良好、結(jié)構(gòu)特性優(yōu)越的封頭型式雖然被廣泛采用[1,2]，但受力情況復(fù)雜[3-9]。封頭加工工藝一般分為整體成形與分瓣成形，整體成形主要有沖壓成形與旋壓成形以及爆炸成形、氣(液)壓膨脹成形等，分瓣成形工藝指的是分瓣壓制與拼焊成形[10-12]。

隨著新材料的研發(fā)，封頭的材料也多種多樣[13-15]，現(xiàn)役型號運載火箭貯箱封頭材質(zhì)為2A14鋁合金，該鋁合金為Al-Cu-Mg-Si系析出強化型高強鍛造鋁合金。具有高強低塑特性，有應(yīng)力腐蝕及晶間腐蝕傾向，可焊性較差，焊縫與熱影響區(qū)容易產(chǎn)生過燒與裂紋，接頭延伸率低。大直徑鋁合金封頭分瓣壓制、拼焊成形時，焊接結(jié)構(gòu)的性能在整個封頭的制造過程中顯得尤為重要，設(shè)計時必須與工藝相結(jié)合。

焊接接頭焊縫與母材的力學(xué)性能差異會導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的強度失配[16-17]。2A14鋁合金熔焊焊縫為低匹配結(jié)構(gòu)，接頭強度系數(shù)僅為0.6。為提高低匹配接頭的承載能力，要以焊縫與母材承載能力相等為目標(biāo)，進行低匹配對接接頭的等強設(shè)計。

1　設(shè)計條件

1.1試驗材料

試驗板材為2A14鋁合金，其化學(xué)成分列見表1[18]。材料力學(xué)性能見表2[19]。

表1　2A14母材化學(xué)成分

表2　2A14鋁合金的力學(xué)性能

1.2封頭設(shè)計要求

封頭直徑為Φ3350mm，橢圓長短軸比值為1.6，計算壓力為0.56MPa，分瓣壓制與拼焊成形。為達(dá)到運載火箭減重的目的，減少冗余重量。

依據(jù)文獻(xiàn)1，設(shè)計溫度為常溫，材料許用應(yīng)力：

[σ]t=430÷3=143 MPa

2　母材厚度計算及設(shè)計

2.1計算

封頭母材計算厚度按照下式計算：

(1)

式中，K為橢圓形封頭形狀系數(shù)，由文獻(xiàn)1查得，該值為0.76；pc為計算壓力，MPa；δh為封頭計算厚度，mm；Di為封頭內(nèi)徑，mm； [σ]t溫下材料許用應(yīng)力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，雙面兩道焊接，100%無損檢測，此值為1.0。

將各設(shè)計數(shù)據(jù)代入式(1)，可得：

當(dāng)橢圓封頭長短軸比值≤2時，其有效厚度不小于3350×0.15%,即5.025mm[1]。

2.2設(shè)計

依據(jù)文獻(xiàn)1，設(shè)計厚度δdh為計算厚度δh與腐蝕裕量C2之和；名義厚度δnh為設(shè)計厚度δdh加上材料厚度負(fù)偏差C1后向上圓整至材料規(guī)格的厚度。依據(jù)運載火箭貯箱服役特點，貯箱充入推進劑燃料后，幾十個小時內(nèi)就會發(fā)射，故腐蝕裕量C2取0mm，5～6mm厚鋁合金材料厚度負(fù)偏差0.32mm。此封頭母材由厚板化銑減薄而成，化銑誤差為0.2mm，受火箭減重需求，設(shè)計厚度δdh為5.6mm。

3　焊縫厚度計算

3.12A14鋁合金焊接接頭分析

熱處理可強化鋁合金接頭的性能不如母材好，抗蝕性、強度及塑性也比母材低。焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)可發(fā)生在三個部位：焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)，見圖1。焊縫的性能主要取決于焊絲的成分、焊接缺陷、熔合比以及成形系數(shù)；熔合區(qū)的主要問題是晶粒長大和過燒；熱影響區(qū)的主要問題是退火軟化和過時效。

圖1　鋁合金熱處理強化合金焊接接頭的組織

焊縫是焊接過程中接頭處于熔化的狀態(tài)部分；熱影響區(qū)是焊接過程中母材因受熱的影響，雖然未熔化但發(fā)生金相組織和機械性能變化的區(qū)域；熔合區(qū)是在焊接接頭中，焊縫向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域。熔合區(qū)的溫度處于固、液相線間，溫度梯度大，金屬處于部分熔化狀態(tài)，晶粒粗大，化學(xué)成份和組織不均勻。冷卻后的組織為過熱組織，使該區(qū)塑性和韌性下降，性能惡化。成為焊接接頭的薄弱地帶。而且此處接頭斷面發(fā)生變化，引起應(yīng)力集中，很大程度上決定著焊接接頭的性能。在力學(xué)性能試驗中，試片拉斷的部位往往發(fā)生在這一區(qū)域。

3.22A14鋁合金焊接接頭特點

(1) 2A14鋁合金焊后強度低，焊后熱影響區(qū)軟化明顯。采用鎢級氬弧焊焊接后，焊縫強度僅為基體金屬強度的60%。由于貯箱結(jié)構(gòu)尺寸大，不可能進行焊后熱處理，為彌補焊接區(qū)的強度下降，采取局部增加焊接區(qū)厚度來補償。

(2) 2A14鋁合金焊接熱裂紋傾向嚴(yán)重。經(jīng)焊接加熱后，焊縫金屬沿晶界的低熔點共晶體將重新熔化，嚴(yán)重時，會形成過燒，并發(fā)展為熱裂紋。焊接熱輸入的控制是防止過燒的有效手段。

(3) 2A14對應(yīng)力集中十分敏感，焊縫表面的缺陷，焊縫正面、反面余高的急劇過渡都可能成為應(yīng)力集中源，從而顯著降低貯箱的承載能力。

3.32A14鋁合金焊接接頭厚度設(shè)計

2A14鋁合金接頭強度系數(shù)為0.6，是典型的低匹配結(jié)構(gòu)，封頭采用雙面兩道焊接，100%X射線無損檢測(按航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ2698，Ⅰ級焊縫合格)，接頭處材料許用應(yīng)力：

[σ]t=143×0.6=85.8MPa

利用式(1)，計算得到接頭處計算厚度：

接頭處設(shè)計厚度δdh2為8.32mm，8～10mm厚鋁合金材料厚度負(fù)偏差0.5mm。此封頭母材由厚板化銑減薄而成，化銑誤差為0.2mm，受火箭減重需求，設(shè)計厚度δdh為9.0mm。

4　封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1母材與焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計

低匹配焊縫余高及蓋面焊道寬度的適當(dāng)增加，能夠降低焊縫內(nèi)部應(yīng)力，有助于低匹配接頭焊縫區(qū)承載能力的提高。依據(jù)2.2及3.3計算的厚度，為了得到等匹配的設(shè)計結(jié)構(gòu)及良好的受載狀態(tài)，宜采用內(nèi)外對稱的結(jié)構(gòu)形式，見圖2(a)，同時設(shè)計板材厚度差異形成的過渡圓弧半徑。

圖2　焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了獲得圖2(a)不等厚分瓣零件，需要利用機械銑或者化學(xué)銑的方式進行厚板的減薄處理，而兩側(cè)均勻減薄的工藝實現(xiàn)難度大，工程上，多采用單側(cè)減薄的工藝加工零件，見圖2(b)。鋁合金焊接接頭中焊縫金屬、熔合區(qū)、熱影響區(qū)、淬火區(qū)、軟化區(qū)等區(qū)域的力學(xué)性能均低于母材，為了保證母材與焊縫區(qū)域等匹配的結(jié)構(gòu)，焊縫加厚區(qū)的寬度一般不小于40mm。為了減少應(yīng)力集中，薄厚板間過渡半徑R為5mm。

4.2封頭結(jié)構(gòu)

Φ3350mm直徑鋁合金封頭分瓣壓制、拼焊成形時，采用8塊分瓣、45°均分的形式，分瓣采用10mm厚的板材制造成型，測量易發(fā)生工藝減薄的部位，制定化銑減薄方案，分別得到焊接區(qū)及非焊接區(qū)的厚度，見圖3，將余量去除，有效部分包含了焊接區(qū)與非焊接區(qū)，獲得需要的分瓣零件。封頭分瓣大端尺寸為1316mm，封頭頂蓋直徑為Φ1400mm，結(jié)構(gòu)形狀見圖4。

圖3　分瓣零件化銑示意

圖4　封頭設(shè)計圖與實物

5　結(jié)語

(1)大直徑運載火箭2A14鋁合金封頭拼焊制造時，采用母材與焊縫分別設(shè)計的方式，在0.56MPa承載條件下，母材設(shè)計厚度為5.6mm，焊接區(qū)設(shè)計厚度為9.0mm。采用厚板化銑減薄的方式，分別得到焊接區(qū)及母材的厚度。

(2)采用單側(cè)減薄的工藝加工不等厚零件，可獲得母材與焊縫區(qū)域等匹配的結(jié)構(gòu)，焊縫加厚區(qū)的寬度不小于40mm。

(3)Φ3350mm直徑鋁合金封頭采用8塊分瓣、45°均分的形式，封頭頂蓋直徑為Φ1400mm。

1GB150.1～150.4-2011，壓力容器[S].

2GB/T25198-2010，壓力容器封頭[S].

3華凱旋，余小魯，王柯智. 大型壓力容器厚壁封頭成形工藝及質(zhì)量控制研究現(xiàn)狀分析[J].鍛壓技術(shù).2015，40(2).

4曾玲芝。氨合成塔封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)力分析[J]. 化工裝備技術(shù).2011，32(5):19-22.

5R.C.Carbonari,P.A.Muoz-Rojas,E.Q.Andrade,ect.Designofpressurevesselsusingshapeoptimization:Anintegratedapproach[J].TheInternationalJournalofPressureVesselsandPiping.2011，88(5-7):198-212.

6Magnucki,K.;Szyc,W.;Lewinski,J.Minimizationofstressconcentrationfactorincylindricalpressurevesselswithellipsoidalheads[J].TheInternationalJournalofPressureVesselsandPiping.2002，79(1):841-846.

7Skopinsky,V.N.;Smetankin,A.B..Parametricstudyofreinforcementofpressurevesselheadwithoffsetnozzle[J].TheInternationalJournalofPressureVesselsandPiping.2003，80(5):333-343.

8LiJ.Z.,LiuY.H.,CenZ.Z.,ectFiniteelementanalysisforbucklingofpressurevesselswithellipsoidalhead[J].TheInternationalJournalofPressureVesselsandPiping.1998，75(2):115-120.

9朱燕梅,許進文. 碟形封頭的幾何參數(shù)和應(yīng)力分析[J].石油化工設(shè)計. 2008，25(4):8-10。

10陳帥峰,王守東,雷玉川等。大型厚壁橢圓封頭多次熱沖壓成形分析[J].鍛壓技術(shù).2015，40(2):37-40+59.

11王妍娜. 大直徑球形封頭沖壓展開下料尺寸的計算[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報.2011，28(9):46-48.

12劉英東.大型厚板瓜瓣封頭頂圓板成型技術(shù)的改進[J].壓力容器.201532(3):66-70.

13崔軍,張海波,葛新生等。鋯制封頭成形方法的試驗研究及其實踐[J].壓力容器. 2009，26(7):42-45。

14李文軍,朱新樂,高軍松. 哈氏合金B(yǎng)-3/304爆炸復(fù)合板封頭的制造[J].壓力容器. 2009，26(5):56-59。

15A.Vafaeesefat,A.Khani.HeadShapeandWindingAngleOptimizationofCompositePressureVesselsBasedonaMulti-levelStrategy[J].AppliedCompositeMaterials.2007，14(5-6):379-391.

16趙智力，方洪淵，楊建國等. 低匹配對接接頭的“等承載”設(shè)計及拉伸疲勞行為[J].機械工程學(xué)報，2010，46(10):75-80.

17段小雪，張彥華，熊林玉等. 裂紋位置對強度失配焊接接頭極限載荷的影響[J].焊接學(xué)報，2013，34(6).

18GB/T3190-2008，變形鋁及鋁合金化學(xué)成分[S].

19GB/T3880.2-2012，一般工業(yè)用鋁和鋁合金板、帶材第2部分：力學(xué)性能[S].

2016-02-24)

*田志杰：高級工程師。2007年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)材料加工工程專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事運載火箭貯箱制造及焊接技術(shù)研究，發(fā)表文章二十余篇。聯(lián)系電話:15101695568，E-mail：tzhj_2004@126.com。