一種鋁合金材料雷達(dá)天線(xiàn)艙框架焊接加工工藝設(shè)計(jì)

陳小軍，周含宣，楊春鵬

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

雷達(dá)天線(xiàn)艙架設(shè)在艦船桅桿，受到海浪起伏、天線(xiàn)方位轉(zhuǎn)動(dòng)等慣性載荷作用。天線(xiàn)艙框架是對(duì)整機(jī)機(jī)械性能、質(zhì)量指標(biāo)、控制系統(tǒng)的精度指標(biāo)、安全指標(biāo)等影響較大的結(jié)構(gòu)件。[1]天線(xiàn)陣面為有源相控陣?yán)走_(dá)的重要部件，天線(xiàn)艙框架為有源陣面提供安裝空間和支撐。

某雷達(dá)天線(xiàn)艙框架安裝如圖1所示。安裝在天線(xiàn)艙框架上的天線(xiàn)陣面包括T/R組件、分電箱及本振、時(shí)鐘、功分模塊、電源模塊、冷卻管路及環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置等。陣面內(nèi)模塊眾多且互聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，散熱要求不同，需要通過(guò)框架來(lái)安裝定位并冷卻。因此，天線(xiàn)艙框架應(yīng)保持足夠的剛度與精度。

圖1 天線(xiàn)艙框架安裝示意圖

1 天線(xiàn)艙框架工藝方案的制定

天線(xiàn)艙框架主體材料選用強(qiáng)度高、抗蝕性好的鋁合金材料。鋁合金的導(dǎo)熱性強(qiáng)、熱容量大、線(xiàn)脹系數(shù)大[2]，焊接變形較大。因此，控制天線(xiàn)艙框架焊接和加工的變形是天線(xiàn)艙框架工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 某天線(xiàn)艙框架如圖2所示。該天線(xiàn)艙框架由鋁合金板材和型材焊接加工而成。框架截面呈等腰梯形，外形最大尺寸長(zhǎng)約3 800 mm、寬約3 050 mm、高約3 200 mm。

圖2 天線(xiàn)艙框架結(jié)構(gòu)示意圖(去除外蒙皮)

該天線(xiàn)艙框架由頂框、底框、左側(cè)面框架、右側(cè)面框架、T/R框架、面框架等6個(gè)部件組焊而成。天線(xiàn)艙框架外表面焊接有2 mm厚的鋁板蒙皮。該框架是前后陣面傾斜70°、兩側(cè)面傾斜2.3°的4面梯形結(jié)構(gòu)形式。框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是尺寸較大，焊縫較多，且為連續(xù)焊縫。天線(xiàn)艙框架的加工后主要技術(shù)要求：(1)底面平面度0.04，天線(xiàn)陣面安裝面與底面的夾角70±15′，前后面平面度0.1，垂直度0.3；(2)T/R框架與底面的夾角70±30′，T/R框架內(nèi)部安裝面之間的垂直度、平行度0.03等。

天線(xiàn)艙框架采用氬弧焊拼焊成形。拼焊的部件隨工裝一起焊接并熱處理去除應(yīng)力，然后在總裝工裝的定位支撐下將4大部件拼焊在一起，蒙皮最后焊接，焊接后需要進(jìn)行整體人工時(shí)效，去除焊接應(yīng)力，最后加工各法蘭面，加工時(shí)由加工工裝支撐T/R框架，保證加工精度。該天線(xiàn)艙框架工藝流程如圖3所示。

圖3 天線(xiàn)艙框架工藝流程

2 天線(xiàn)艙框架的焊接工藝

天線(xiàn)艙框架整體尺寸大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，前、后面板及左右側(cè)框的位置控制較難。底框采用槽鋁件等焊接，焊接部位多，焊接變形較大，其整體外形尺寸較難控制。焊接結(jié)構(gòu)的焊縫必須完整連續(xù)、均勻，無(wú)焊穿、裂縫和氣孔等缺陷，焊縫以雙面角焊縫和坡口焊縫為主。為減小焊接變形，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝上都必須采用相應(yīng)的措施，設(shè)計(jì)時(shí)盡量將焊縫對(duì)稱(chēng)分布，利用對(duì)稱(chēng)焊縫產(chǎn)生的相反變形來(lái)抵消零件的整體變形。在焊接工藝上采取如下措施：

(1) 焊接評(píng)定

根據(jù)CB/T 3748船用鋁合金焊接工藝評(píng)定要求進(jìn)行。根據(jù)板材和型材厚度和焊接類(lèi)型，同批次材料通過(guò)試件焊接進(jìn)行工藝參數(shù)驗(yàn)證，驗(yàn)證后方可進(jìn)行正式焊接。當(dāng)因更換材料、厚度、焊絲牌號(hào)等情況發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)重新驗(yàn)證焊接工藝參數(shù)。[3]試板厚度與可以適用的母材厚度對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。試板按表2檢測(cè)，其結(jié)果如滿(mǎn)足技術(shù)要求則得出正式焊接工藝參數(shù)，如不滿(mǎn)足技術(shù)要求則調(diào)整預(yù)焊接工藝參數(shù)并重新評(píng)定，最終得出能滿(mǎn)足要求的焊接參數(shù)。

表1 試板厚度t與可適用的母材厚度對(duì)應(yīng)關(guān)系表

表2 檢查項(xiàng)目與檢測(cè)內(nèi)容表

(2) 焊接模擬仿真

針對(duì)焊縫較長(zhǎng)容易產(chǎn)生較大變形的問(wèn)題，采用專(zhuān)用軟件對(duì)框架總體焊接后的變形進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)結(jié)果得出焊接變形的重點(diǎn)控制部位。

(3) 反向預(yù)補(bǔ)償

根據(jù)仿真結(jié)果和焊接經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)焊接變形量及方向，采用反變形法預(yù)置一定的變形補(bǔ)償量來(lái)抵消焊接后產(chǎn)生的變形，減小焊接變形量。

(4) 焊接順序

設(shè)計(jì)合理的裝配焊接順序，按照從中間向四周的原則施焊。為避免框架整體焊接應(yīng)力過(guò)大，變形后難以矯正，焊接工藝設(shè)計(jì)時(shí)采用分部件組焊法，框架部件焊接后矯正并消除應(yīng)力后再總體裝配焊接；焊接后采用退火去應(yīng)力熱處理。

(5) 焊接工裝

設(shè)計(jì)框架的專(zhuān)用剛性約束工裝和夾具，保證焊接變形能得到有效控制，設(shè)計(jì)各部件工裝。圖4為側(cè)面框架裝焊工裝，部件焊接熱處理后加工部件連接處。各部件間用榫頭槽形式相互定位連接整體拼焊如圖5所示。整體拼焊時(shí)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的定位工裝，實(shí)物如圖6所示。

圖4 側(cè)面框架裝焊工裝示意圖

圖5 框架整體拼焊示意圖

(6) 焊接操作

根據(jù)焊接評(píng)定試驗(yàn)得出的焊接參數(shù)，制定焊接操作作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。對(duì)于有雙面角焊縫和雙V型焊縫的位置，采用雙人對(duì)稱(chēng)施焊。對(duì)不滿(mǎn)足要求的焊縫進(jìn)行磨切后重新焊前清洗并按照規(guī)范補(bǔ)焊，直到滿(mǎn)足要求。

圖6 框架整體焊接熱處理工裝實(shí)物圖

3 天線(xiàn)艙框架的加工

天線(xiàn)艙框架頂部和內(nèi)部有設(shè)計(jì)基準(zhǔn)平臺(tái)，用于檢測(cè)水平度和標(biāo)校時(shí)安放校驗(yàn)儀器。選擇行程滿(mǎn)足要求的數(shù)控落地鏜銑床加工，整體框架檢查加工余量后進(jìn)行粗加工，整體自然時(shí)效去除加工應(yīng)力，時(shí)間不低于48 h。加工底面作為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的裝夾工裝(如圖7所示)，保證側(cè)面及T/R框架與底面的角度要求。框架各加工面設(shè)有工藝基準(zhǔn)塊，便于各面加工時(shí)的校準(zhǔn)。

圖7 天線(xiàn)艙框架加工示意圖

4 天線(xiàn)艙框架焊接加工難點(diǎn)及解決措施

天線(xiàn)艙框架加工難點(diǎn)在于控制整體焊接變形和加工應(yīng)力變形。除設(shè)計(jì)了必要的工裝保證和相應(yīng)的去應(yīng)力措施外，框架的外蒙皮的焊接變形也是工藝重點(diǎn)考慮的。框架蒙皮的焊接直接影響整體密封性和美觀(guān)性。

側(cè)面框架部件如圖8所示。該部件為上下側(cè)開(kāi)放設(shè)計(jì)，剛性差，焊接易變形。采用增加工藝筋的措施進(jìn)行部件焊接，采用部件工裝夾緊壓平焊接后進(jìn)行熱處理，并將蒙皮分塊施焊控制變形。

圖8 改進(jìn)前后側(cè)面框架示意圖

加工的難點(diǎn)：T/R框架內(nèi)腔結(jié)構(gòu)剛性較差。對(duì)于加工過(guò)程中易出現(xiàn)難加工的顫刀現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了內(nèi)框剛性工裝，用于整體加工過(guò)程中加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)剛性避免顫刀，保證T/R框架加工質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

天線(xiàn)艙框架通過(guò)合理的部件拆分從控制部件焊接的變形開(kāi)始，并利用整理工裝保證整理組焊的精度。兩側(cè)邊蒙皮焊接時(shí)預(yù)設(shè)工藝筋保證蒙皮焊接剛度來(lái)控制變形，同時(shí)通過(guò)合理的施焊工藝保證焊接的質(zhì)量。加工時(shí)通過(guò)工裝保證T/R框架的剛性支撐，確保組件模塊在框架上的安裝精度，達(dá)到了設(shè)計(jì)的精度要求。該框架通過(guò)焊接加工驗(yàn)證已轉(zhuǎn)入正式產(chǎn)品。