隔層結(jié)構(gòu)球形貯箱VP-TIG焊接

張國(guó)軍 朱迅強(qiáng) 胡明華 樂 斌

?

隔層結(jié)構(gòu)球形貯箱VP-TIG焊接

張國(guó)軍 朱迅強(qiáng) 胡明華 樂 斌

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

介紹了某球形貯箱隔層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，分析了貯箱焊接性和焊接難點(diǎn)，制定了詳細(xì)的焊接工藝方案，從焊接夾具、焊接工藝、焊接參數(shù)等方面詳細(xì)說明了球形貯箱焊接過程和控制焊縫缺陷及焊接變形的方法，試驗(yàn)結(jié)果表明試制的球形貯箱產(chǎn)品的焊接質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求, 工藝方案完全適合于隔層結(jié)構(gòu)球形貯箱的焊接加工。

隔層結(jié)構(gòu)球形貯箱；VP-TIG；鋁合金

1 引言

鋁及鋁合金由于其優(yōu)異的物理性能、化學(xué)特性、力學(xué)性能及工藝特性，在航天、航空、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，是航空航天較為理想的結(jié)構(gòu)材料，在運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常作為首選材料。

運(yùn)載火箭貯箱既起著承受各種外載荷及內(nèi)壓的作用，又承擔(dān)著支承各個(gè)系統(tǒng)的作用，同時(shí)又是存放火箭推進(jìn)劑的大型容器。為了提高火箭的運(yùn)載能力，較多地采用了薄壁結(jié)構(gòu)。在某新型貯箱的研制過程中，綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、重量、體積、外形和布局等多因素要求，采用了隔層球形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的圓柱貯箱結(jié)構(gòu)存在較大差別，在產(chǎn)品精度、制造要求等方面有特殊要求，因此必須對(duì)其制造技術(shù)展開研究。

2 貯箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及焊接要求

2.1 貯箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

貯箱為大直徑薄壁球形構(gòu)件，上、下為兩個(gè)半球，中間為連接環(huán)，貯箱內(nèi)部為金屬膜片，連接環(huán)截面為“叉”形，上半球、下半球、金屬膜片通過與連接環(huán)的分叉相焊接構(gòu)成球形整體。其中上、下半球采用5A06鋁合金拉伸成形，半徑規(guī)格為355mm，壁厚尺寸為3.8mm，蒙皮厚度為1.8mm。膜片材料為L(zhǎng)3，焊接邊厚度為1.6mm，膜片內(nèi)徑尺寸為350mm，連接環(huán)采用5A06鍛件機(jī)加工。

2.2 貯箱焊接技術(shù)要求

球形貯箱全部采用鋁合金材料，結(jié)構(gòu)尺寸大，制造難度較大。產(chǎn)品接頭設(shè)計(jì)主要有對(duì)接接頭及鎖底接頭兩種結(jié)構(gòu)形式，半球殼體外側(cè)采取翻邊與接管嘴相連接，連接環(huán)鎖底槽與金屬膜片卷邊構(gòu)成環(huán)縫鎖底接頭，上、下半球與連接環(huán)為對(duì)接接頭。接管嘴焊縫采用手工填絲焊，金屬膜片、上半球、下半球與連接環(huán)的連接全部采用自動(dòng)化焊接。

貯箱技術(shù)指標(biāo)分別從X光檢查、整體焊縫強(qiáng)度、氣密試驗(yàn)、檢漏率等方面，對(duì)焊縫提出要求。

a. 設(shè)計(jì)規(guī)定對(duì)所有焊縫按照QJ 2698A—2011 I級(jí)焊縫要求進(jìn)行X射線探傷。

b. 整球狀態(tài)下，先使用壓力為0.9MPa的液體進(jìn)行焊縫強(qiáng)度、氣密試驗(yàn)，保壓15min，再充0.756MPa的氣體，保壓15min，在焊縫表面涂肥皂泡，要求無(wú)滲漏。

c. 鎖底接頭制作后，對(duì)焊縫進(jìn)行氦質(zhì)譜檢測(cè)，要求檢漏率<10-8Pa·m3/s。

3 主要技術(shù)難點(diǎn)

3.1 焊接變形控制

上半球與連接環(huán)、下半球與連接環(huán)的環(huán)縫均為封閉焊縫。上、下半球焊接時(shí)，溫度應(yīng)力超過母材的屈服強(qiáng)度，由于上、下半球?yàn)楸”诮Y(jié)構(gòu)件，剛性較差，故焊縫易出現(xiàn)錯(cuò)位變形。該錯(cuò)位在外觀上表現(xiàn)為半球外凸的形式[1]。

半球呈現(xiàn)外凸，造成錯(cuò)位，導(dǎo)致焊接難度的增大，對(duì)熔池搭橋能力影響很大，極易造成各種焊接缺陷，如燒穿、成形不良、焊瘤等，常見因錯(cuò)位引起的焊接缺陷如圖2所示。

圖2 錯(cuò)位引起的焊接缺陷

3.2 焊接質(zhì)量穩(wěn)定性要求高

球形貯箱共有三條焊縫，上半球與連接環(huán)焊接完成后，背后為敞開式，可以進(jìn)行機(jī)械修整。金屬膜片與連接環(huán)為鎖底接頭設(shè)計(jì)，下半球與連接環(huán)焊接后為封閉結(jié)構(gòu)，對(duì)外的開口僅有半球殼體上的若干接管嘴。接管嘴內(nèi)徑最大為16mm，且距離焊縫較遠(yuǎn)。

對(duì)于鎖底焊縫、下半球與連接環(huán)的焊縫，受限于結(jié)構(gòu)特性，根本無(wú)法進(jìn)入內(nèi)部，正常的背面修整作業(yè)無(wú)法進(jìn)行。這就對(duì)焊接工藝提出較高的要求，必須做到單面懸空焊接雙面成形，并且保證一次焊接質(zhì)量。

4 工藝方法與措施

4.1 焊接方法

送絲氬弧焊接由于填充焊絲不通過電流，不會(huì)產(chǎn)生飛濺，電弧燃燒過程穩(wěn)定，是有色金屬單面焊雙面成形的優(yōu)推方法。對(duì)于隔層結(jié)構(gòu)貯箱焊接接頭，由于焊接對(duì)象是薄壁鋁合金，焊接受熱變形難以控制，因此為控制焊接變形，需要選擇熱輸入量更小的焊接工藝。VP-TIG焊接工藝具有交流矩形波形焊接工藝，其焊接工藝一方面可以改善交流焊接的電弧穩(wěn)定性，一方面合理分配電弧和工件之間的熱量分布，在滿足陰極霧化的前提下，盡量減少鎢極燒損，適用于薄壁結(jié)構(gòu)的焊接；對(duì)于半球和接管嘴，接管嘴直徑小，采用手工鎢極焊接，對(duì)于半球和連接環(huán)的焊接則采用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行。

而對(duì)于更薄的膜片與連接環(huán)的焊接，采用P-TIG工藝，在同樣條件下脈沖焊接（P-TIG）較常規(guī)的焊接工藝變形量更小。采用脈沖焊時(shí)，所焊出的焊縫表面光潔，內(nèi)部氣孔較少，焊縫能夠很好地融合，細(xì)化晶粒，形成一條光潔美觀的焊縫。

4.2 焊絲選擇及試驗(yàn)

連接環(huán)與金屬膜片的焊接屬異種材料焊接，金屬膜片材料為純鋁L3，連接環(huán)材料為5A06，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 L3純鋁及5A06鋁合金和化學(xué)成分 %

表2 接頭機(jī)械性能及無(wú)損檢驗(yàn)結(jié)果

異種金屬焊接時(shí)，對(duì)焊絲的要求是多方面的，既要滿足裂紋、氣孔傾向低，又要滿足接頭的力學(xué)性能，文獻(xiàn)[2]推薦焊絲選擇5A06，通過試板檢驗(yàn)焊絲的性能，試板厚度為1.6mm。對(duì)焊后的試板取三組試樣進(jìn)行X射線檢驗(yàn)和力學(xué)性能測(cè)試，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。試板試驗(yàn)表明，選擇5A06焊絲，滿足QJ 2698—95 I 級(jí)焊縫要求。

4.3 焊接夾具

工裝設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面，如圖3所示。首先是確定裝卡位置，保證裝卡后待焊零件的同軸度，解決零件裝配精度。由于上、下半球在徑向均是封閉的半球結(jié)構(gòu)，而上、下半球、金屬膜片皆為薄壁圓形構(gòu)件，剛度差，難以用于裝卡基準(zhǔn)。連接環(huán)為機(jī)加工鍛件，整體剛性好，選擇整球中間位置的連接環(huán)作為待裝位置。采取外包箍式裝配方案，裝配時(shí)，待焊工件伸出抱箍，保證焊槍可達(dá)性。

圖3 焊接工裝及使用

其次解決焊接時(shí)上、下半球變形問題，以上、下半球圓面為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一個(gè)帶有卡環(huán)的抱箍，焊接時(shí)利用尾座一定的進(jìn)給量，使卡環(huán)與半球貼胎，增大半球剛度，抑制焊接時(shí)的錯(cuò)位現(xiàn)象。

4.4 焊前清洗

焊接前零件清洗程度對(duì)焊接內(nèi)部質(zhì)量影響很大，僅使用常規(guī)刮削去除難以滿足質(zhì)量需求。

采用機(jī)械清理與化學(xué)清理相結(jié)合的方法去除，即連接環(huán)與上半球連接部分先機(jī)加工（連接環(huán)下半球部分有加工余量），然后連接環(huán)整體表面陽(yáng)極化，再機(jī)加工連接環(huán)下部鎖底槽，以機(jī)加工的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化膜去除，焊接前再采用堿槽液和硝酸溶液局部浸泡清洗去除殘留氧化膜，最后采用丙酮清洗并用中風(fēng)量電吹風(fēng)吹干[3]。類似的技術(shù)也用于連接環(huán)與下半球焊接時(shí)，連接環(huán)背后凹槽氧化膜的處理。

4.5 合適的焊接參數(shù)

為了調(diào)試出合適的焊接參數(shù)，摸索焊接參數(shù)和焊縫背后成形的關(guān)系，提高下半球焊接的一次成功率。設(shè)計(jì)了下半球與連接環(huán)焊接試驗(yàn)件，觀察和優(yōu)化焊縫成形。

采用雙層焊進(jìn)行半球與連接環(huán)的焊接[4]，選擇大電流、小送絲的方式進(jìn)行打底焊接。實(shí)現(xiàn)良好的單面焊接背面成形，背面焊漏控制在1.0mm之內(nèi)，保證根部焊透及內(nèi)部質(zhì)量。蓋面焊接主要是保證正面成形質(zhì)量，優(yōu)化焊縫表面，形成均勻的魚鱗紋，采用1.2mm，2Hz的橫向擺焊，保證焊縫有均勻光滑的外表面成形。最后所調(diào)試的焊接參數(shù)如表3所示。

表3 上、下半球焊接參數(shù)

金屬膜片與連接環(huán)的焊縫，采用脈沖鎢極氬弧焊接工藝，金屬膜片與連接環(huán)厚度僅1.6mm，選擇單層焊接。脈沖鎢極氬弧焊時(shí)，在峰值電流時(shí)間段內(nèi)，大電流可以有效加強(qiáng)對(duì)氧化膜的蒸發(fā)作用。電流變換的沖擊攪拌作用，將熔池正面的氧化物及雜質(zhì)從熔池表面排開，有利于保證焊接質(zhì)量。焊接參數(shù)如表4所示。

表4 隔層焊接參數(shù)

5 大直徑球形貯箱的試制和檢測(cè)結(jié)果

5.1 外觀質(zhì)量

焊接完成后，檢測(cè)焊縫外表面質(zhì)量，焊縫表面無(wú)氣孔，成形良好。焊縫寬度一致性好，余高滿足要求，不存在咬邊現(xiàn)象。焊縫表面質(zhì)量如圖4所示。

圖4 焊縫表面成形質(zhì)量

5.2 內(nèi)部質(zhì)量

焊縫內(nèi)部質(zhì)量要求為QJ 2698—95 I級(jí)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焊縫進(jìn)行射線探傷，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

5.3 強(qiáng)度、氣密測(cè)試

強(qiáng)度試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，氣密試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)氣泡。試驗(yàn)結(jié)果表明焊縫全部符合強(qiáng)度、氣密要求。抽樣爆破試驗(yàn)超出設(shè)計(jì)要求。

5.4 氣腔氦質(zhì)譜檢測(cè)

在上述產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，金屬膜片與連接環(huán)焊接完成后，對(duì)氣腔進(jìn)行氦質(zhì)譜檢測(cè)。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

大直徑球形貯箱的焊縫檢測(cè)結(jié)果表明，工藝流程和加工方案適用于產(chǎn)品生產(chǎn)，焊接措施效果明顯，解決了薄壁鎖底結(jié)構(gòu)焊接及大直徑半球形貯箱焊接變形的雙重技術(shù)難題，其中，單面焊接雙面高質(zhì)量成形技術(shù)與合適的抑制焊接變形的工裝是解決導(dǎo)熱快、薄壁、近密封球形結(jié)構(gòu)焊接的技術(shù)關(guān)鍵。

1 胡明華. 一級(jí)燃料箱后底環(huán)縫錯(cuò)位的研究[J]. 上海航天，2003，20(2)：60～62

2 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002

3 黃旺福，黃金剛. 鋁及鋁合金焊接指南[M]. 湖南：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2005

4 劉紅偉. 5A06鋁合金焊接接頭性能研究[J]. 兵器材料科學(xué)與工程，2009，32(2)：75～79

VP-TIG Welding of Interlayer Structure Spherical Tank

Zhang Guojun Zhu Xunqiang Hu Minghua Le Bin

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

The paper introduces the characteristics and technical requirements of interlayser structure ofspherical-tank, and analyzes the weldability and welding difficulties of tank. It formulates the welding technologyproject and explicates the welding process of spherical-tank and the measures to control the defects of weldedseams and welding deformation from welding fixture, welding procedure and welding parameters. The results show that the welding quality of the first batch of spherical-tank meets design requirements, and thistechnology project is completely suitable for welding processing of the interlayser structure spherical-tank.

interlayser structure spherical-tank；VP-TIG；aluminum alloy

張國(guó)軍（1984），工程師，材料專業(yè)；研究方向：焊接工藝與工藝自動(dòng)化。

2017-04-25