徑向加壓銅噴嘴真空擴散焊接工藝及實用案例

魏瑞剛 張麗娜 金盈池 黑增民 王彥超

（首都航天機械公司，北京 100076）

徑向加壓銅噴嘴真空擴散焊接工藝及實用案例

魏瑞剛 張麗娜 金盈池 黑增民 王彥超

（首都航天機械公司，北京 100076）

為實現(xiàn)發(fā)動機用噴嘴內(nèi)芯肋條與外套的全連接，保證銅噴嘴的冷卻性能，采用真空擴散焊工藝技術(shù)及膨脹加壓的理念，實現(xiàn)了銅噴嘴的柱面徑向加壓及真空擴散焊接。金相及CT無損檢測結(jié)果表明：銅噴嘴擴散焊接頭焊接質(zhì)量良好，焊合率可達到95%以上。

銅噴嘴；真空擴散焊；膨脹加壓；焊合率

1 引言

噴嘴穩(wěn)定裝置是抑制高頻不穩(wěn)定燃燒的最有效措施之一。目前，國外某些航天型號的大推力氫氧發(fā)動機均采用了相關(guān)的穩(wěn)定裝置，例如SSME、LE-7和RS-68均采用了隔板噴嘴和聲腔穩(wěn)定裝置[1]。為了增大發(fā)動機推力，國內(nèi)航天發(fā)動機也采用了銅噴嘴的方式抑制燃燒振蕩，銅噴嘴采用銅材料內(nèi)芯，其上分布有數(shù)十條尺寸約為1mm左右的肋條，溝槽與外壁形成冷卻通道，外壁為薄壁銅外套，與內(nèi)芯組合連接，銅噴嘴在工作過程中冷卻通道內(nèi)為100K的低溫氣體，外部為高達3600K高溫燃氣，工作環(huán)境非常惡劣。目前采用氫排放冷卻來避免因冷熱溫差應力過大而翹曲變形和過熱燒蝕。但受加工制造水平的限制，目前的銅噴嘴由內(nèi)芯和外套分別機加后裝配在一起，僅通過兩條電子束環(huán)焊縫將內(nèi)外套連接起來，其中外套與肋條未連接，導致傳熱效率不足，熱試車過程中發(fā)生外套燒蝕。因此，為了進一步提高銅噴嘴的穩(wěn)定性，將銅噴嘴內(nèi)芯肋條和外套采用全連接的方式，可以極大改善銅噴嘴的傳熱，提高使用壽命。

實踐及分析表明，采用熔焊如電子束、激光焊等點焊連接內(nèi)芯肋條和外套，由于肋條寬度小且數(shù)量多，焊接時發(fā)生束流偏離肋條堵塞通道的現(xiàn)象，造成流量反差過大使產(chǎn)品無法正常使用。若采用電鑄等方式，效率較低，且結(jié)構(gòu)強度低，不適應批產(chǎn)要求。由此，需要采用一種穩(wěn)定、高效的焊接工藝保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

真空擴散焊作為一種精密固相焊接技術(shù)，具有焊接變形小，可進行內(nèi)部多點、大面積構(gòu)件連接等特點[2]，但常規(guī)的真空擴散焊接設(shè)備多為軸向加壓，銅噴嘴內(nèi)外壁的連接屬于徑向面連接，很難將徑向壓力轉(zhuǎn)化為軸向壓力，本文將采用膨脹壓差的方式進行銅噴嘴的真空擴散焊接，實現(xiàn)銅噴嘴內(nèi)芯與外套的全連接。該技術(shù)在國內(nèi)外尚無公開資料文獻報道。

2 試驗方法

銅噴嘴用材料為CuZr0.15鋯無氧銅，其主要化學成分為w(Zr)(0.11～0.21)%+w(Cu)余量[3]，首先進行擴散焊銅噴嘴內(nèi)芯與外套的焊前加工，焊前外套需留有部分加工余量，便于焊后精加工，內(nèi)芯加工到圖紙尺寸；加工后的銅噴嘴外套與內(nèi)芯待焊面進行表面處理，并將銅噴嘴內(nèi)芯與外套過盈裝配；在Workhorse II型3520真空擴散焊設(shè)備及真空度為5×10-5torr下焊接；擴散焊后的銅噴嘴試件進行剖檢，金相檢測焊縫內(nèi)部質(zhì)量及焊合率，銅噴嘴樣件精加工后進行CT無損檢測，用于檢測銅噴嘴的焊合率。

3 徑向加壓銅噴嘴真空擴散焊接工藝研究

3.1 銅噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計及焊后加工技術(shù)研究

為了施加銅噴嘴的徑向壓力，銅噴嘴內(nèi)芯與外套均進行了結(jié)構(gòu)性設(shè)計，采取焊前配合加工、焊后精加工的方式保證產(chǎn)品最終尺寸，加工要求如下：

a.設(shè)計銅噴嘴內(nèi)芯與外套小角度錐面過盈配合，目的是保證兩者的待焊面緊密接觸，直面過盈配合的效果等同錐面配合，但裝配較困難；

b.為了避免焊接變形對銅噴嘴內(nèi)芯上肋條、孔等尺寸的影響，焊前留有一定加工余量。

圖1所示為銅噴嘴內(nèi)芯、外套的結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖。

盡管擴散焊接變形很小，但由于銅噴嘴為多孔、多槽結(jié)構(gòu)，熱變形不可避免帶來孔的變形，焊后，銅噴嘴孔徑尺寸均發(fā)生微小變形，但不同產(chǎn)品焊接變形一致，焊件之間偏差尺寸極小。為了保證圖紙尺寸，部分尺寸需要焊后二次加工。焊后加工時需防止多余物進入通道。

3.2 銅噴嘴的真空擴散焊接

3.2.1 簡化銅噴嘴的擴散焊接試驗

基于銅試板優(yōu)化擴散焊接工藝，銅噴嘴的焊接采用850～900℃，100～150min，待焊面表面處理的方式。為了降低成本，初始采用簡化結(jié)構(gòu)形式的銅噴嘴進行試驗，如圖2所示。銅噴嘴內(nèi)芯與外套僅配合面加工，其余簡化加工。

通過簡化銅噴嘴擴散焊接，測試：a.徑向加壓對擴散焊接頭質(zhì)量的影響；b.焊接工裝的合于使用性；c.過盈量a對焊接接頭質(zhì)量的影響等。

3.2.1.1 徑向加壓對擴散焊接頭質(zhì)量的影響及焊接工裝的合于使用性

銅噴嘴的真空擴散焊工藝參數(shù)基于鋯銅試板優(yōu)化工藝參數(shù)的基礎(chǔ)，其中僅加壓方式不同于試板的平面軸向加壓。銅噴嘴內(nèi)芯和外套為圓柱面貼合方式，如圖3所示。常規(guī)的平面軸向加壓方式無法實現(xiàn)銅噴嘴內(nèi)芯和外套徑向正向壓力的施加，需借助間接方式將柱面徑向壓力轉(zhuǎn)化為平面壓力。提出了膨脹壓差的加壓理念，即利用熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的徑向正壓力對銅噴嘴加壓，如圖4所示。具體實施方式為：工裝材料采用與銅熱膨脹系數(shù)差異較大的鉬、陶瓷、石墨等，按圖4所示將銅噴嘴放入工裝中，升溫及焊接過程中，銅的熱膨脹遠大于石墨、陶瓷等材料工裝的熱膨脹，兩者膨脹壓差產(chǎn)生正向壓力施加于銅噴嘴上，在溫度、時間的控制下完成銅噴嘴的內(nèi)芯與外套的焊接。

試驗結(jié)果表明，利用膨脹加壓的理念實現(xiàn)了銅噴嘴的擴散焊接，其中銅噴嘴內(nèi)芯與外套配合是關(guān)鍵，試驗過程中采取的銅噴嘴外套與內(nèi)芯小角度過盈加工方式，使銅噴嘴外套和內(nèi)芯即使在室溫狀態(tài)下也能順利實現(xiàn)壓入裝配，同時外套增厚控制變形，借助焊后加工保證圖紙裝配尺寸要求。圖5為焊后銅噴嘴金相剖檢圖。焊接界面焊合良好，晶粒尺寸無明顯增大，焊件變形小，焊合率達到95%以上。

3.2.1.2 過盈量對焊接接頭質(zhì)量的影響

過盈量為圖2中a值，即內(nèi)芯高出外套的量，通過試驗發(fā)現(xiàn)，尺寸控制在0.5～1mm之間為宜，超過1mm會造成銅噴嘴內(nèi)芯肋條的變形，影響到銅噴嘴液流流量的大小，小于0.5mm后，焊接接頭的焊合率降低，過盈量為0時，發(fā)現(xiàn)在端頭部分出現(xiàn)未焊合現(xiàn)象。圖6所示。

3.2.2 銅噴嘴的真空擴散焊接及接頭檢測結(jié)果

在簡化銅噴嘴加工及焊接工藝的基礎(chǔ)上，加工焊接了銅噴嘴產(chǎn)品樣件，如圖7所示。

圖8所示為擴散焊銅噴嘴的焊后金相剖檢結(jié)果，可以看出，整體焊接狀況良好，無未焊合缺陷。

圖9為焊合良好銅噴嘴的CT檢測結(jié)果圖，通過觀察圖片中結(jié)合面密度變化，判定焊合情況，由于圖片數(shù)量過多，僅截取部分照片。照片中顯示接頭焊合良好，無缺陷。

焊后的液流測試表明擴散焊銅噴嘴符合設(shè)計指標要求。采用膨脹加壓及結(jié)構(gòu)設(shè)計改進理念成功實現(xiàn)了銅噴嘴及類似結(jié)構(gòu)件的柱面徑向加壓，是一種可推廣的焊接新技術(shù)。

4 結(jié)束語

a.借助銅噴嘴結(jié)構(gòu)改進與熱膨脹加壓的理念有效地實現(xiàn)了銅噴嘴內(nèi)芯肋條與外套的徑向加壓，該理念是銅噴嘴的擴散焊接工藝實施的重要前提。

b.膨脹系數(shù)小的材質(zhì)工裝的選用及多工位設(shè)計有效保障了銅噴嘴的擴散焊接，且克服了擴散焊接工藝周期長的不利條件，具備了實現(xiàn)銅噴嘴產(chǎn)品批產(chǎn)的能力。

c.采用優(yōu)化工藝規(guī)范獲得了綜合性能良好的銅噴嘴擴散焊接頭。

1 丁新玲.液體火箭發(fā)動機制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].航天制造技術(shù)，2005(6)：13～17

2 李志遠，錢乙余，張九海.先進連接方法[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000

3 上海電器科學研究所合金室情報組.銅鋯系合金的研制產(chǎn)品簡介

Process and Practical Case of Radical Pressure Vacuum Diffusion Bonding of Copper Nozzle

Wei Ruigang Zhang Lina Jin YingchiHei Zengmin Wang Yanchao
(CapitalAerospace Machinery Company,Beijing 100076)

To join the ribs and the outer case and insure the cooling ability of lunch vehicle engine nozzle,the vacuum diffusion bonding and thermal expansion pressure idea are adopted to achieve the radial pressure and vacuum diffusion joints of copper nozzle.The metallographic inspection and CT testing results show that the quality of welded joints is good and the bonding rate is up to 95%.

copper nozzle；vacuum diffusion bonding；thermal expansion pressure；bonding rate

魏瑞剛（1987-），工程師，材料加工工程專業(yè)；研究方向：運載火箭貯箱制造。

2017-01-19