推進(jìn)劑管理裝置的可靠性增長(zhǎng)及試驗(yàn)驗(yàn)證

俞 鈞 馬天駒 顧森東 許 巍 張永和

(1 蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)(2 蘭州理工大學(xué)，蘭州 730050)

推進(jìn)劑管理裝置的可靠性增長(zhǎng)及試驗(yàn)驗(yàn)證

俞 鈞1馬天駒1顧森東1許 巍2張永和1

(1 蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)(2 蘭州理工大學(xué)，蘭州 730050)

文摘采用原始的焊接方式焊接篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置的收集器合格率低、可靠性差。為此，采用純鈦箔作為過渡層進(jìn)行了不銹鋼篩網(wǎng)與鈦合金支壓板的電阻縫焊試驗(yàn)以及隨后這兩者與鈦合金骨架的電子束焊試驗(yàn)，然后進(jìn)行了地面力學(xué)環(huán)境下的振動(dòng)試驗(yàn)，以驗(yàn)證焊接方式改進(jìn)后收集器的可靠性。焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，純鈦箔過渡層一方面可以大幅降低篩網(wǎng)在電阻縫焊時(shí)的焊接熱量，有效地減小篩網(wǎng)的熱變形；另一方面可以在電阻縫焊后形成牢固、封閉的純鈦/不銹鋼篩網(wǎng)焊縫過渡區(qū)，有效地增加電子束焊時(shí)篩網(wǎng)的變形抗力，從而使得焊接后試樣的合格率和性能大幅提高。振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接方式改進(jìn)后收集器的可靠度置信下限從0.90增加到了0.96。

推進(jìn)劑管理裝置，鈦合金，不銹鋼，電阻縫焊，電子束焊，振動(dòng)試驗(yàn)

0 引言

表面張力推進(jìn)劑貯箱是航天衛(wèi)星推進(jìn)分系統(tǒng)中貯存、管理和供應(yīng)推進(jìn)劑的重要部件，其關(guān)鍵部分是安裝在貯箱殼體內(nèi)部的推進(jìn)劑管理裝置(PMD)[1-4]。根據(jù)PMD的工作原理，可以把PMD分為篩網(wǎng)式和孔板式兩種。篩網(wǎng)式PMD主要由各種收集器、導(dǎo)流板和管道等組件焊接而成，其中，收集器是核心組件。在工作時(shí)，利用收集器上毛細(xì)篩網(wǎng)的表面張力液體蓄留原理為發(fā)動(dòng)機(jī)提供指定流量的、不夾雜增壓氣體的、無(wú)壓力擾動(dòng)的推進(jìn)劑[2,5]。因此，PMD功能的可靠性，對(duì)保證衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)在空間正常工作有決定性的作用和影響。

收集器是PMD的關(guān)鍵功能組件之一，主要由篩網(wǎng)、支壓板和骨架組成。其中，篩網(wǎng)起分隔氣液作用，支壓板上下夾住篩網(wǎng)，以增強(qiáng)篩網(wǎng)對(duì)振動(dòng)、液體沖擊等的抗力能力，骨架主要給篩網(wǎng)和支壓板提供支撐，并通過管道等與PMD的其他結(jié)構(gòu)連接起來(lái)。收集器的制造過程所涉及到的焊接類型包括電阻縫焊、固定點(diǎn)焊和電子束焊。支壓板與篩網(wǎng)之間一般采用電阻縫焊。其原始焊接方式為：不銹鋼篩網(wǎng)先與一片支壓板滾焊，然后將帶篩網(wǎng)的支壓板與另一片支壓板及骨架進(jìn)行裝配，裝配合格的收集器先采用自動(dòng)氬弧焊對(duì)收集器圓周均布8處進(jìn)行固定點(diǎn)焊，最后采用電子束焊進(jìn)行密封焊接。但由于篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)較脆弱且鈦合金與不銹鋼在焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力和脆性的金屬間化合物及TiC[6-11]，所以采用原始焊接方式對(duì)鈦合金支壓板與不銹鋼篩網(wǎng)進(jìn)行電阻縫焊易造成篩網(wǎng)的網(wǎng)絲扭曲變形，進(jìn)而對(duì)后續(xù)的電子束焊質(zhì)量及最終產(chǎn)品的可靠性都有嚴(yán)重的影響。

為了避免鈦合金與不銹鋼連接過程中互擴(kuò)散形成金屬間化合物以及改善連接表面的接觸狀態(tài)，研究人員進(jìn)行了大量的焊接試驗(yàn)研究，涉及到的焊接主要有熔焊、釬焊、電阻焊、擴(kuò)散焊等。大量試驗(yàn)表明，采用鈮[9]、鎳[12]、鈮+鎳[13]、鋁[14- 15]、銀[16]、銅[17]等中間層來(lái)焊接鈦合金與不銹鋼能取得較好的焊接質(zhì)量。因此，本文采用純鈦箔作過渡層進(jìn)行鈦合金支壓板與不銹鋼篩網(wǎng)的電阻縫焊和電子束焊試驗(yàn)，并與原始焊接方式的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，然后進(jìn)行地面力學(xué)環(huán)境下的振動(dòng)試驗(yàn)，以驗(yàn)證焊接方式改進(jìn)后收集器的可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1材料

試驗(yàn)用收集器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，篩網(wǎng)材料為304不銹鋼，規(guī)格為325 mm×2 300 mm×0.089 mm，即橫縱兩向25.4 mm的長(zhǎng)度上分別有2 300根和325根金屬絲，單根縱向金屬絲直徑為0.011 mm，單根橫向金屬絲直徑為0.078 mm。鈦合金支壓板材料為TC4，厚度為1 mm。純鈦箔的厚度為0.1 mm。

1.2試驗(yàn)過程

如圖2所示，工藝改進(jìn)后的焊接流程為：首先將不銹鋼篩網(wǎng)與一片鈦箔進(jìn)行電阻滾焊，然后將帶篩網(wǎng)的鈦箔與一片支壓板進(jìn)行電阻滾焊并進(jìn)行泡檢，合格后與另一片支壓板及骨架進(jìn)行裝配，裝配合格的收集器先采用自動(dòng)氬弧焊對(duì)收集器圓周均布8處進(jìn)行固定點(diǎn)焊，最后采用電子束焊進(jìn)行密封焊接。

材料準(zhǔn)備完成后首先進(jìn)行不銹鋼篩網(wǎng)與鈦箔的電阻縫焊。焊接設(shè)備為美國(guó)漢森AP精密電阻縫焊機(jī)，焊接過程為連續(xù)縫焊，將焊件壓緊在兩輪電極之間，與篩網(wǎng)接觸的上電極輪沿著圖1中的電阻縫焊位置滾動(dòng)一周，直流電流流經(jīng)電極輪與焊件接觸的區(qū)域，產(chǎn)生的電阻熱將焊件兩層之間的接觸面熔化，焊件冷卻后連接在一起，達(dá)到焊接的目的。其中，加純鈦箔過渡層時(shí)先進(jìn)行不銹鋼篩網(wǎng)與鈦箔焊接，再進(jìn)行鈦箔與鈦合金支壓板焊接。根據(jù)縫焊工藝曲線[18]，縫焊過程要經(jīng)歷預(yù)壓、預(yù)熱、焊接、焊后緩冷等步驟。實(shí)驗(yàn)編號(hào)及焊接工藝參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 電阻縫焊工藝參數(shù)對(duì)比

每組試驗(yàn)各重復(fù)進(jìn)行20次。電阻縫焊完成后，將上述兩組焊件分別放入裝有無(wú)水乙醇的貯液槽內(nèi)測(cè)量篩網(wǎng)的泡破點(diǎn)值。

接著選取兩組電阻縫焊試驗(yàn)中泡破點(diǎn)值合格的焊件與另一件支壓板及骨架進(jìn)行裝配并在氬氣的保護(hù)下采用自動(dòng)氬弧焊設(shè)備進(jìn)行均布8處固定點(diǎn)焊。最后采用電子束焊，對(duì)裝配完成的收集器(圖1)施加一定的壓緊力，一次完成收集器圓周焊縫的焊接。焊接設(shè)備為法國(guó)TECEMETA公司LARA52型-310真空電子束焊機(jī)。實(shí)驗(yàn)編號(hào)及焊接工藝參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 電子束焊工藝參數(shù)對(duì)比

支壓板與骨架電子束焊接后，為了降低或消除焊接應(yīng)力的影響，需要對(duì)焊件進(jìn)行真空退火。最后再次測(cè)量?jī)山M焊件篩網(wǎng)的泡破點(diǎn)值。每組試驗(yàn)同樣重復(fù)進(jìn)行20次。

2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

2.1電阻縫焊結(jié)果對(duì)比分析

圖3為不同焊接方式下電阻縫焊后試樣的泡破點(diǎn)值。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該規(guī)格收集器的泡破點(diǎn)值大于5.7 kPa(圖中虛線)。在A組試驗(yàn)中，泡破點(diǎn)值基本分布在5～6.5 kPa之間，個(gè)別值到了2 kPa左右，數(shù)據(jù)離散性較大，只有13個(gè)收集器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，合格率僅為65%。在B組試驗(yàn)中，大部分泡破點(diǎn)值大于5.7 kPa，數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，有18個(gè)收集器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，合格率為90%，提升了25%。

對(duì)比焊接工藝，支壓板與篩網(wǎng)電阻縫焊時(shí)焊接電壓較高，其焊接熱量也較大。由于在整個(gè)焊接過程中篩網(wǎng)是主要的受熱部件，所以篩網(wǎng)首先熔化變形，再與支壓板結(jié)合形成焊縫。這是造成焊后試樣泡破點(diǎn)值下降的主要原因。但與B組試驗(yàn)相比較，由于純鈦箔與篩網(wǎng)的焊接是等厚低熱量焊接，其結(jié)構(gòu)改善了熱量分布，把對(duì)篩網(wǎng)的影響降低到了最小，所以加鈦箔過渡層焊接試樣的合格率最高。

為了分析焊縫質(zhì)量，選取電阻縫焊后泡破點(diǎn)值合格的焊件進(jìn)行切割、預(yù)磨和拋光后，在掃描電鏡下觀察試樣焊縫處的微觀結(jié)構(gòu)并拍照。圖4為不同焊接方式下電阻縫焊后試樣焊縫處的掃描電鏡照片。

在圖4(a)可以清楚的看到兩種材料的分界線且焊合區(qū)的過渡區(qū)很窄。此外，受電極輪的壓力影響，篩網(wǎng)網(wǎng)絲產(chǎn)生變形，在網(wǎng)絲之間形成了空隙。這表明采用原始焊接方式，不能很好的實(shí)現(xiàn)鈦合金支壓板與不銹鋼篩網(wǎng)的結(jié)合，焊縫質(zhì)量較差。與圖4(a)相比較，不銹鋼篩網(wǎng)和純鈦箔形成了牢固、封閉的焊接過渡區(qū)，焊縫質(zhì)量較好。這是因?yàn)榧冣伈穸容^薄且熱塑性較好，在壓力和高溫的作用下填充進(jìn)入了網(wǎng)絲間隙?？梢?，鈦合金支壓板與不銹鋼篩網(wǎng)之間加0.1 mm純鈦箔進(jìn)行焊接是較為可靠的一種焊接方式。

2.2電子束焊后的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

圖5為不同焊接方式下電子束焊后試樣的泡破點(diǎn)值。改進(jìn)電阻縫焊方式前，由于不銹鋼篩網(wǎng)與支壓板在電阻縫焊后產(chǎn)生較大的應(yīng)力且焊縫質(zhì)量較差，經(jīng)過電子束焊接后，焊件的泡破點(diǎn)值在3～6.3 kPa之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差為735.96 Pa，數(shù)據(jù)離散性較大。電子束焊合格率為80%。

改進(jìn)電阻縫焊方式后，由于電阻縫焊后形成牢固、封閉的焊接過渡結(jié)構(gòu)有效地阻止了二次焊接時(shí)篩網(wǎng)的變形，經(jīng)過電子束焊接后，焊件的泡破點(diǎn)值在5.9～6.5 kPa之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差為155.98 Pa，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好。滾焊合格率也達(dá)到了100%。

3 可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證收集器性能的可靠性，選取退火后泡破點(diǎn)值合格的上述兩組焊件先后進(jìn)行3次正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，以模擬衛(wèi)星發(fā)射時(shí)所處的力學(xué)環(huán)境狀態(tài)下收集器是否失效，各重復(fù)進(jìn)行20次。其中，模擬振動(dòng)情況的振動(dòng)胎具如圖6所示。試驗(yàn)過程及載荷條件見文獻(xiàn)[19]。

對(duì)比表3中的數(shù)據(jù)可以明顯看出，前兩次振動(dòng)試驗(yàn)中，A組焊件泡破點(diǎn)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，且在第三次振動(dòng)試驗(yàn)后個(gè)別焊件的泡破點(diǎn)值不合格。而B組焊件在每次振動(dòng)試驗(yàn)后焊件的泡破點(diǎn)值均合格。這說(shuō)明焊接方式改進(jìn)后收集器組件的焊縫質(zhì)量和可靠性都明顯提高。

frequencyofvibrationA合格率/%標(biāo)準(zhǔn)偏差/Pa B合格率/%標(biāo)準(zhǔn)偏差/Pafirst100177.83 100130.42second100154.53 100102.30third9590.68 100113.75

根據(jù)二項(xiàng)分布單元的經(jīng)典方法對(duì)收集器的可靠性分別進(jìn)行評(píng)定，成敗型可靠度置信下限由下式確定[20-21]：

(1)

當(dāng)F=0時(shí)，

(2)

式中，N為有效試驗(yàn)次數(shù)；F為試驗(yàn)失敗次數(shù)，取值為0，1，…，N-1；RL為可靠度置信下限；γ為置信度，本文中取值0.6。

以第三次振動(dòng)試驗(yàn)后泡破點(diǎn)值為評(píng)定數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得出采用原始焊接方式的收集器可靠度置信下限為0.90，改進(jìn)焊接方式后的收集器可靠度單側(cè)置信下限為0.96?？梢?，收集器的電阻縫焊方式改進(jìn)后其可靠性明顯增長(zhǎng)。

4 結(jié)論

(1) 采用0.1 mm純鈦箔作中間過渡層進(jìn)行不銹鋼篩網(wǎng)與鈦合金支壓板的電阻縫焊可以大幅降低篩網(wǎng)在電阻縫焊時(shí)的焊接熱量，有效地減小篩網(wǎng)的熱變形，從而大幅提高了電阻縫焊后試樣泡破點(diǎn)值的合格率和穩(wěn)定性。

(2) 改進(jìn)焊接方式可使電阻縫焊后形成牢固、封閉的純鈦/不銹鋼篩網(wǎng)焊縫過渡區(qū)，從而有效地增加了電子束焊時(shí)篩網(wǎng)的變形抗力，大幅提高了電子束焊后試樣泡破點(diǎn)值的合格率和穩(wěn)定性。

(3)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接方式改進(jìn)后收集器的可靠度置信下限從原來(lái)的0.90提高到了0.96，其可靠性明顯增長(zhǎng)。

致謝感謝蘭州空間技術(shù)物理研究所陳威高工，在試驗(yàn)研究過程中給予的幫助和指導(dǎo)。

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Reliability Growth and Experimental Verification of Propellant Management Device

YU Jun1MA Tianju1GU Sendong1XU Wei2ZHANG Yonghe1

(1 Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000)(2 Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050)

The adoption of original weld method usually causes the low pass rate and poor reliability of the collector for propellant management device. In order to solve the problem, resistance seam welding tests between titanium alloy bearing plate and stainless steel screen with pure titanium interlayer were performed. Subsequently, electron beam welding tests between the two and titanium alloy frame were performed. Then vibration tests in terramechanical environment were performed to verify the effectiveness of the addition of the pure titanium interlayer. The welding tests results show that the pure titanium interlayer could significantly reduce the welding heat during the resistance beam welding process and further reduced the hot deformation of screen. In addition, the interlayer could form a firm and enclosed pure titanium and stainless steel transition, which could effectively increase the deformation resistance of the screen during the electron beam welding process and further improve the percent of pass and property of welded samples. The vibration tests results show that the improved welding method could increase the lower confidence limits for reliability of collector from 0.90 to 0.96.

Propellant management device，Titanium alloy,Stainless steel，Resistance seam welding，Electron beam welding，Vibration test

TG453.9

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.05.017

2017-04-16

俞鈞,1982年出生，碩士，工程師，主要從事航天壓力容器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究。E-mail: 68134330@qq.com