自鎖閥激光焊接工藝研究

劉澤敏，王　磊，謝　屹

（上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112）

自鎖閥激光焊接工藝研究

劉澤敏，王磊，謝屹

（上海空間推進(jìn)研究所，上海201112）

研究了自鎖閥激光焊接焦點(diǎn)位置與焊縫熔深之間的關(guān)系、焊接速度和激光功率與焊縫熔深之間的關(guān)系，分析了隨著激光功率增加，不同焦點(diǎn)位置的焊接過程依次經(jīng)歷穩(wěn)定熱導(dǎo)焊，熱導(dǎo)焊、深熔焊交替進(jìn)行的不穩(wěn)定焊接和穩(wěn)定深熔焊接三種模式，進(jìn)而研究了穩(wěn)定焊接模式下工藝參數(shù)與焊縫熔深之間的關(guān)系，得出了自鎖閥在穩(wěn)定焊接模式下的最佳焊接工藝規(guī)范參數(shù)。采用該激光焊接工藝規(guī)范焊接的常壓和高壓自鎖閥焊縫外觀質(zhì)量、氣密、液壓以及焊縫氦質(zhì)譜檢漏試驗(yàn)結(jié)果全部滿足設(shè)計(jì)要求。常壓和高壓自鎖閥已經(jīng)應(yīng)用于嫦娥五號(hào)、探月工程、東風(fēng)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)、貨運(yùn)飛船、921-3推進(jìn)分系統(tǒng)、東方紅三號(hào)等推進(jìn)系統(tǒng)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之中。

焦點(diǎn)位置；焊接模式；焊縫熔深；焊縫質(zhì)量

0　引言

自鎖閥廣泛應(yīng)用于探月工程貨運(yùn)飛船、運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈武器等動(dòng)力控制系統(tǒng)，其主要功能是控制推進(jìn)劑分系統(tǒng)上下游之間推進(jìn)劑的通斷以及實(shí)現(xiàn)主、備份貯箱之間推進(jìn)劑的切換與供應(yīng)等。自鎖閥結(jié)構(gòu)微小，焊縫熔深均勻性要求較高，自鎖閥殼體與進(jìn)、出口管嘴連接必須采用激光焊接工藝。

1　自鎖閥焊接設(shè)計(jì)要求

根據(jù)工作壓力，自鎖閥分為常壓自鎖閥和高壓自鎖閥。常壓自鎖閥和高壓自鎖閥殼體與進(jìn)、出口管嘴之間采用激光焊接工藝實(shí)現(xiàn)連接，焊縫不允許有氣孔、裂紋、咬邊等缺陷，焊縫熔深、液壓、氣密、氦檢等設(shè)計(jì)要求見表1。

表1　自鎖閥焊接設(shè)計(jì)技術(shù)要求Tab.1　Welding technical specifications of latching valve

表2　焊接接頭材料化學(xué)成分[1-2]Tab.2　Chemical components of material of welded joint

圖1　某型號(hào)自鎖閥焊接結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Welding structure chart of a certain latching valve

自鎖閥殼體與管嘴焊接結(jié)構(gòu)屬于軸向或端面鎖底對(duì)接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理簡圖見圖1。管嘴材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，自鎖閥殼體閥座材料為軟磁合金Cr17NiTi，其化學(xué)成分見表2。兩種材料化學(xué)成分接近，冶金性和焊接工藝性好。

2　激光焊接理論與分析

激光焊接屬于高能束焊接，焊接熱源集中，熱影響區(qū)小，它是利用高能量密度激光束作為焊接熱源，作用于工件表面，使材料發(fā)生重熔，形成良好表面質(zhì)量焊接接頭的焊接方法。激光具有高的能量密度，小的光斑直徑。與傳統(tǒng)焊接工藝相比，激光焊接工藝具有較高的焊接速度，小的焊接變形，大的深寬比和更優(yōu)良的焊接質(zhì)量，適合焊接精密組件。自鎖閥殼體與進(jìn)、出口管嘴連接也采用激光焊接工藝。

影響激光焊接質(zhì)量和焊縫熔深的因素有：光束特性、焊接接頭形式、焊接工藝參數(shù)（焦點(diǎn)位置、激光功率、焊接速度等）、保護(hù)氣體及流量、材料特性等。自鎖閥殼體與進(jìn)、出口管嘴焊接使用的激光焊接設(shè)備是德國HL2006D+LASMA1054型激光焊機(jī)。焊機(jī)光束質(zhì)量25 mm·rad，自鎖閥殼體與進(jìn)、出口管嘴焊接接頭型式為鎖底對(duì)接型式，保護(hù)氣體為氬氣。氬氣流量為6～12 L/min。本文將著重研究焊接工藝參數(shù)，即焦點(diǎn)位置、激光功率、焊接速度對(duì)焊縫質(zhì)量和焊縫熔深的影響因素，從而歸納出焦點(diǎn)位置、激光功率、焊接速度與焊縫質(zhì)量和焊縫熔深之間的關(guān)系，進(jìn)而得出自鎖閥殼體與進(jìn)、出口管嘴激光焊接最佳工藝規(guī)范。

2.1焦點(diǎn)位置與焊縫熔深之間的關(guān)系

在激光焊接速度v=30 mm/s，激光功率P= 300～1 100 W（激光功率增幅為100 W），激光焦點(diǎn)與工件平面間距Z=-2 mm，Z=0，Z=2 mm三種焦點(diǎn)模式下，由激光焊接材料為1Cr18Ni9Ti-Cr17NiTi標(biāo)準(zhǔn)試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出如圖2所示的三種焦點(diǎn)位置上激光功率與焊縫熔深之間的關(guān)系曲線。

圖2　3種焦點(diǎn)位置激光功率與焊縫熔深之間的關(guān)系Fig.2　Relationship between laser power and weld penetration at three different focus points

由圖2可知，在3種焦點(diǎn)位置上的激光焊接，焊縫熔深均隨著激光功率的增大而增大；在相同的激光功率下，焊縫熔深隨著激光焦距的減小而增大，即焊縫熔深依照離焦焊 (Z=2 mm)－實(shí)焦焊 (Z=0)－入焦焊 (Z=-2 mm)的順序而增大。這是由于激光照射并作用到被焊工件表面上之后，一部分激光被工件表面反射，一部分激光進(jìn)入被焊工件內(nèi)部被被焊工件吸收，還有一部分激光透過被焊工件所致。公式 (1)詳細(xì)描述了該物理化學(xué)過程。

式中：E0為照射并作用到被焊工件表面的總激光能量；Er為被焊工件表面反射的激光能量；Ea為被焊工件吸收的激光能量；Et為透過被焊工件的激光能量。

工件在未焊透的情況下，Et＝0，即E0=Er+ Ea。在入焦焊 (z=-2 mm)的情況下，激光焦點(diǎn)位置在被焊工件內(nèi)部，從而增加了被焊工件對(duì)激光能量的吸收程度，Ea增大，隨之焊縫熔池形貌增大，焊縫熔深增大；反之，在離焦焊 (z=2 mm)的情況下，激光焦點(diǎn)位置在被焊工件表面位置以上，被焊工件對(duì)激光能量吸收的程度隨之減弱，Ea減小，且激光焊接能量密度亦隨之減小，因而焊縫熔池形貌減小，焊縫熔深減小。

2.2焊接速度和激光功率與焊縫熔深之間的關(guān)系

在實(shí)焦焊 (Z=0 mm)，激光功率P=400～1 800 W（激光功率增幅為100 W）的條件下，激光焊接速度v=10 mm/s，v=20 mm/s，v=30 mm/s，v= 40 mm/s，v=50 mm/s，由激光焊接材料為1Cr18Ni9Ti-Cr17NiTi標(biāo)準(zhǔn)試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出如圖3所示的激光功率與焊縫熔深之間的關(guān)系曲線。

圖3　激光功率與焊縫熔深之間的關(guān)系Fig.3　Relationship between laser power and weld penetration

由圖3可知，焊縫熔深隨著激光功率的增大和焊接速度的減小而增大，這是由于，增大激光功率和減小焊接速度，均可提高焊接過程線能量的輸入量，由此增大了焊縫熔深。

在不同焊接速度下，隨著激光功率的增大，焊接過程會(huì)經(jīng)歷穩(wěn)定熱導(dǎo)焊、熱導(dǎo)焊和深熔焊交替進(jìn)行的不穩(wěn)定焊接和穩(wěn)定深熔焊接3個(gè)階段。激光功率閥值決定焊接模式，激光功率處于PC2(不穩(wěn)定焊結(jié)束時(shí)的激光功率)和PC1(不穩(wěn)定焊開始時(shí)的激光功率)之間時(shí)，焊接過程處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，焊接模式會(huì)在深熔焊和熱導(dǎo)焊兩種模式之間跳變，焊縫熔深會(huì)在大小兩極之間變化。焊接過程中，輻射照度為I的激光束直接照射到熔池表面，被焊工件吸收到的輻射照度大于被焊工件加熱到汽化溫度所需吸收的輻射照度，即AI (被焊工件吸收到的激光能量)＞IV(未產(chǎn)生匙孔效應(yīng)的最大臨界能量)。此時(shí)，被焊工件表面熔化、汽化并形成小孔，該模式為深熔焊接模式。被焊工件表面小孔形成的同時(shí)被融化的金屬發(fā)生汽化，金屬氣體電離產(chǎn)生等離子體，入射激光被等離子體云吸收，使被焊工件表面的激光輻射照度衰減為I（1-AI）＜IV，此時(shí)，被焊工件表面金屬汽化和電離化過程終止，隨即跳變?yōu)闊釋?dǎo)焊接模式。金屬等離子體云消失后，熔池表面的激光輻射照度陡然增加，隨即又恢復(fù)為AI＞IV的模式，此時(shí)，新一輪的金屬汽化開始，匙孔效應(yīng)發(fā)生，小孔隨即產(chǎn)生，焊接過程隨即跳變?yōu)樯钊酆附幽Ｊ健Ｔ谏钊酆附雍蜔釋?dǎo)焊模接式下，焊接過程和焊縫成形均不穩(wěn)定[2]。在實(shí)際焊接過程中，應(yīng)避免熱導(dǎo)焊接和深熔焊接交替發(fā)生的不穩(wěn)定焊接模式。在穩(wěn)定熱導(dǎo)焊接和穩(wěn)定深熔焊接的焊接參數(shù)規(guī)范內(nèi)，焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形均勻。

2.3穩(wěn)定焊接模式下工藝參數(shù)與焊縫熔深之間的關(guān)系

在穩(wěn)定焊接模式，設(shè)置焦點(diǎn)位置Z=-2 mm，Z=-1 mm，Z=0，Z=1 mm，Z=2 mm，焊接速度V=10～50 mm/s，激光功率P=400～1 800 W（激光功率增幅為200 W）的條件下，由激光焊接材料為1Cr18Ni9Ti-Cr17NiTi標(biāo)準(zhǔn)試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出如圖4所示的焊縫熔深與工藝參數(shù)之間的關(guān)系曲線。

圖4　焊縫熔深與工藝參數(shù)之間的關(guān)系Fig.4　Relationship between technical parameter and weld penetration

3　自鎖閥激光焊接工藝

3.1焊接設(shè)備與焊接工藝流程

自鎖閥激光焊接采用德國通快 (TRUMPF)公司制造的連續(xù)激光焊機(jī)完成，焊機(jī)采用YAG燈泵浦固體激光器。Nd∶YAG激光器發(fā)射的激光波長λ=1.06 μm，最大平均輸出功率2 000 W，激光功率穩(wěn)定性ψ=±1%，光束質(zhì)量：25 mm·rad，光纖直徑Ф=600 μm，工作距離L=150 mm，激光功率可在200～2 000 W之間無級(jí)調(diào)節(jié)。自鎖閥激光焊接工藝流程框圖見圖5。

3.2焊接工藝規(guī)范

自鎖閥進(jìn)出口管嘴與殼體組件對(duì)接焊接，待焊處屬回轉(zhuǎn)軸心夾持。焊接過程為：首先，裝配待焊零件，確保待焊零件錯(cuò)邊量δ≤0.05 mm，焊接間隙ε≤0.05 mm。然后，將待焊零件夾持于三爪卡盤內(nèi)，調(diào)整同軸度，使待焊處軸向跳動(dòng)量Δ≤Φ0.1 mm。最后，擺放旁吹保護(hù)氣體－氬氣，實(shí)現(xiàn)焊接過程全位置惰性氣體保護(hù)焊接。根據(jù)焦點(diǎn)位置與焊縫熔深之間的關(guān)系以及焊接速度和激光功率與焊縫熔深之間的關(guān)系可得出焊接工藝參數(shù)與焊接模式和焊縫熔池氣孔出現(xiàn)概率之間的影響關(guān)系表，見表3。

根據(jù)穩(wěn)定焊接模式下工藝參數(shù)與焊縫熔深之間的關(guān)系曲線和表3可得出常壓和高壓自鎖閥焊接工藝規(guī)范，見表4。按照表4焊接工藝規(guī)范焊接自鎖閥，焊縫表面呈銀白色，焊縫表面無裂紋和咬邊等缺陷；X射線無損探傷表明：焊縫內(nèi)部無氣孔、無夾雜。焊縫表面和內(nèi)部質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

圖5　自鎖閥激光焊接工藝流程框圖Fig.5　Technological process for laser weld for latching valve

表3　工藝參數(shù)與焊接模式和焊縫熔池氣孔出現(xiàn)概率的影響表Tab.3　Influence of technological parameters and welding mode on probability to cause holes of molten pool in welding line

表4　常壓和高壓自鎖閥焊接工藝規(guī)范Tab.4　Welding process specifications of constant-pressure and high-pressure latching valve

4　自鎖閥試驗(yàn)與驗(yàn)證

自鎖閥測(cè)試試驗(yàn)流程框圖見圖6。為驗(yàn)證焊接質(zhì)量，對(duì)自鎖閥進(jìn)行了焊縫外觀檢查、液壓試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)和焊縫氦質(zhì)譜檢漏試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

由表5可見，采用表4常壓和高壓自鎖閥焊接工藝規(guī)范焊接的常壓和高壓自鎖閥焊縫外觀質(zhì)量、液壓試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)和焊縫氦質(zhì)譜檢漏試驗(yàn)結(jié)果全部滿足設(shè)計(jì)要求，由此證明：自鎖閥激光焊接理論分析、焦點(diǎn)位置與焊縫熔深之間的關(guān)系以及焊接速度和激光功率與焊縫熔深之間的關(guān)系分析與研究是正確的，穩(wěn)定焊接模式下工藝參數(shù)與焊縫熔深之間的關(guān)系以及由此得出的自鎖閥激光焊接工藝規(guī)范是合理和有效的。采用該焊接規(guī)范焊接的自鎖閥已經(jīng)應(yīng)用于嫦娥五號(hào)、探月工程、東風(fēng)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)、貨運(yùn)飛船、921-3推進(jìn)分系統(tǒng)、東方紅三號(hào)等推進(jìn)系統(tǒng)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之中。

圖6　自鎖閥測(cè)試試驗(yàn)流程框圖Fig.6　Flow chart for test of latching valve

表5　自鎖閥試驗(yàn)結(jié)果Tab.5　Test results of latching valve

5　結(jié)論

研究了自鎖閥激光焊接理論，焦點(diǎn)位置 (即實(shí)焦、離焦和入焦三種聚焦方式)與焊縫熔深之間的關(guān)系，焊接速度和激光功率與焊縫熔深之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上研究了隨著激光功率增加，不同焦點(diǎn)位置的焊接過程依次經(jīng)歷穩(wěn)定熱導(dǎo)焊，熱導(dǎo)焊、深熔焊交替進(jìn)行的不穩(wěn)定焊接和穩(wěn)定深熔焊接三種模式，進(jìn)而研究了穩(wěn)定焊接模式下工藝參數(shù)與焊縫熔深之間的關(guān)系，由此得出了自鎖閥在穩(wěn)定焊接模式下的最佳焊接工藝規(guī)范參數(shù)，采用該激光焊接工藝規(guī)范焊接的常壓和高壓自鎖閥焊縫外觀質(zhì)量、氣密、液壓以及焊縫氦質(zhì)譜檢漏試驗(yàn)結(jié)果全部滿足設(shè)計(jì)要求。常壓和高壓自鎖閥已經(jīng)應(yīng)用于嫦娥五號(hào)、探月工程、東風(fēng)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)、貨運(yùn)飛船、921-3推進(jìn)分系統(tǒng)、東方紅三號(hào)等推進(jìn)系統(tǒng)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之中。

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（編輯：王建喜）

Study on laser welding technology for latching valve

LIU Zemin,WANG Lei,XIE Yi
（Shanghai Institute of Space Propulsion,Shanghai 201112,China）

The relationship of focus point and weld penetration,and the relationship of welding velocity,laser power and weld penetration of laser welding technology for latching valve are studied. The third welding modes in welding process at different focus points are analyzed,in which,with the increase of laser power,stable thermal conductivity welding,unstable thermal conductivity welding and stable deep penetration welding are undergone in proper order.The relationship between technological parameter and weld penetration under stable welding mode was researched.The weld procedure specification parameters for the latching valve under stable welding mode were obtained. The test results of the valve weld appearance quality,airtight,hydraulic pressure and welded joint helium mass spectrum leak meet the design requirements.At present,the constant-pressure and high-pressure latch valves are used in the propellant system of liquid-propellant rocket engines of ChangE 5,lunar exploration engineering,Dongfeng missile weapon system,cargo spaceship,921-3 propulsion subsystem,DongFangHong3 propulsion system.

focus position;welding mode;weld penetration;welding quality

V434-34

A

1672-9374(2016)04-0090-07

2016-02-18；

2016-03-13

國家863項(xiàng)目（2012AA702302）

劉澤敏（1984—），女，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)榧す夂附蛹安牧蠠崽幚?/p>