KM8不銹鋼板式熱沉激光焊接工藝研究

許貞龍，李玉忠，崔立軍，陳金明

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

熱沉是空間環(huán)境模擬器的重要組成部分，主要用來(lái)給航天器熱平衡與熱真空試驗(yàn)提供冷黑環(huán) 境[1-3]。我國(guó)早期的KM3 和KM4 空間環(huán)境模擬器的熱沉采用紫銅（T2）材料[4]，KM6 主容器的熱沉為鋁材料，KM6 水平艙和KM7 的熱沉采用不銹鋼管與銅翅片混合焊接結(jié)構(gòu)[5]。國(guó)外早期的空間環(huán)境模擬器的熱沉比較多地采用了鋁和不銹鋼。這些熱沉結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

不銹鋼材料具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、放氣量小、 低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其導(dǎo)熱性能比鋁和銅差。為了彌補(bǔ)不銹鋼導(dǎo)熱性能差的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種不銹鋼板式熱沉結(jié)構(gòu)。這種熱沉結(jié)構(gòu)已在歐美等國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用，他們新近研制的空間環(huán)境模擬器熱沉都采用了該結(jié)構(gòu)[6-7]。

我國(guó)之前研制的空間環(huán)境模擬器未采用不銹鋼板式熱沉結(jié)構(gòu)的主要原因是其加工工藝尤其是焊接設(shè)備和焊接工藝不成熟[8]。而我國(guó)目前正在研制的KM8 和KM7A 空間環(huán)境模擬器的熱沉均要采用不銹鋼板式結(jié)構(gòu)，因此亟需解決不銹鋼板式熱沉 的加工工藝技術(shù)問(wèn)題。

熱沉長(zhǎng)期工作在高、低溫冷熱交變環(huán)境中，要求保持高的真空氣密性，因此對(duì)焊接方法的選擇和焊接工藝的控制尤其重要[9]。國(guó)外采用激光焊接工藝成功地完成了不銹鋼板式熱沉建造[10]。通過(guò)技術(shù)調(diào)研，KM8 和KM7A 的熱沉制造決定采用激光焊接工藝[11]。

激光焊接工藝是成熟工藝，在其他場(chǎng)合已取得廣泛應(yīng)用。但是，將兩張薄的不銹鋼板對(duì)齊疊放進(jìn)行焊接，焊接后的熱沉還要求長(zhǎng)期在高、低溫冷熱交變環(huán)境中保持高的真空氣密性，這是技術(shù)難點(diǎn)，有必要開(kāi)展激光焊接工藝研究。

根據(jù)KM8 熱沉結(jié)構(gòu)，本文選擇3 種不同厚度的不銹鋼板，采用5 種焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。焊接后的樣件在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)，以測(cè)試它們的力學(xué)性能。通過(guò)CT 掃描檢測(cè)，分析激光焊接區(qū)域的氣孔缺陷分布情況，同時(shí)采用光學(xué)顯微鏡和電子掃描電鏡對(duì)激光焊接接頭進(jìn)行微觀組織分析[12]。通過(guò)這些試驗(yàn)與分析工作，確定不同材料厚度的最佳工藝參數(shù)。

1 激光搭接焊接及試驗(yàn)

1.1 焊接設(shè)備及焊接樣件

激光焊機(jī)型號(hào)為Rofin CO2激光器，其最大輸出功率為4.5 kW，激光焦距為200 mm，離焦量為-5 mm。保護(hù)氣體為Ar 和He 混合氣體，比例為Ar∶He=1∶2，保護(hù)氣體壓力為 0.07 MPa。

根據(jù)KM8 熱沉設(shè)計(jì)的要求，選用3 種厚度的0Cr18Ni9Ti 不銹鋼軋制板進(jìn)行搭接焊接，即2.5 mm與1.2 mm 厚的板搭接，1.5 mm 搭接1.2 mm，1.0 mm搭接1.0 mm。焊接樣件的搭接方式如圖1所示。

圖1 焊接樣件搭接方式 Fig.1 Lap-welding joint of specimens

1.2 焊接參數(shù)選定及焊接后焊縫檢測(cè)

按照不同厚度的搭接組合，選擇不同的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。焊接工藝參數(shù)主要包括焊接功率和送料速度，每種厚度搭接組合選用了5 種焊接工藝參數(shù)，見(jiàn)表1。

共焊接了3×5=15 種焊接樣件，焊接后對(duì)它們的焊縫進(jìn)行檢測(cè)，焊縫檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可見(jiàn)，有些焊接樣件的焊縫未焊透，因此這些焊接工藝參數(shù)是不能夠采用的。

表1 搭接焊接參數(shù)及焊后焊縫檢測(cè)結(jié)果 Table1 Lap-welding parameters and state of the welding bead

2 拉伸試驗(yàn)

2.1 拉伸試驗(yàn)樣件制備

采用長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司制造的WDW-100 微控電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)做拉伸試驗(yàn)，其最大拉伸力為100 kN。按照拉伸試驗(yàn)要求，采用線切割方法制備標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣件，樣件的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試驗(yàn)樣件的結(jié)構(gòu)及尺寸 Fig.2 Structure and size of the specimens for tensile test

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表2為A1～A5、B1～B5 和C1～C5 共15 種 樣件的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中每個(gè)樣件上布置了5 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

表2 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù) Table2 The data of the tensile test

從表2可以得出以下結(jié)論：

1）在2.5 mm+1.2 mm 組合的A 系列樣件中，A2 樣件拉伸力平均值明顯高于其他樣件，它對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)為1 m/min、1800 W，證明該焊接參數(shù)可得到好的抗拉性能。

2）在1.5 mm+1.2 mm 組合的B 系列樣件中，B5 樣件的拉伸力平均值明顯高于其他樣件，對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)為4.5 m/min、3000 W，證明該焊接參數(shù)可得到好的抗拉性能。

3）在1.0 mm+1.0 mm 組合的C 系列樣件中，C1 樣件的拉伸力平均值明顯大于其他樣件，對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)為3.5 m/min、1800 W，證明該焊接參數(shù)能得到良好的抗拉性能。

樣件A2、B5 和C1 的拉伸試驗(yàn)曲線如圖3所示。

圖3 拉伸試驗(yàn)曲線 Fig.3 Curves of the tensile test

3 焊縫檢測(cè)與缺陷分析

3.1 CT 焊縫檢測(cè)

采用工業(yè)CT 對(duì)A2、B5 和C1 樣件進(jìn)行焊縫檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 焊縫的CT 檢測(cè)結(jié)果 Fig.4 Detection results of the welding bead by industry CT

從CT 檢測(cè)結(jié)果可知，搭接接頭焊縫結(jié)合良好，只在部分引弧點(diǎn)發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷。

3.2 金相組織分析

3.2.1 試樣制備

采用線切割截取A2、B5、C1 樣件的切片，再用鑲嵌機(jī)制備金相試樣，然后進(jìn)行研磨、拋光、腐蝕處理。

3.2.2 焊縫金相組織分析

分析焊縫金相組織可知，以上3 種樣件的焊縫組織非常類(lèi)似。激光焊接接頭的宏觀組織如圖5所示，中間為焊縫，左右兩邊為未熔化的不銹鋼母材，母材中間為搭接間隙。圖6為母材與焊縫過(guò)渡區(qū)域的微觀組織，圖7為焊縫中心的微觀組織。

圖5 不銹鋼激光焊接接頭宏觀組織 Fig.5 Macro-structure of stainless steel laser welding joint

圖6 過(guò)渡區(qū)微觀組織 Fig.6 Micro-structure of the transition area

圖7 焊縫中心的微觀組織 Fig.7 Micro-structure of the welding bead center

分析焊接接頭微觀組織可知：焊縫區(qū)域由母材、熱影響區(qū)和焊縫三部分構(gòu)成，接頭搭接部分熔池過(guò)渡平滑，熱影響區(qū)很小。母材向焊縫中心微觀組織依次生成了平面晶、樹(shù)枝晶、柱狀晶、等軸晶等微觀組織形貌。整個(gè)接頭組織呈現(xiàn)準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。由CT 檢測(cè)結(jié)果可知，部分激光焊接接頭樣件的焊縫底部產(chǎn)生了氣孔，但氣孔分布稀少，對(duì)整個(gè)焊縫質(zhì)量影響較小。

4 結(jié)論

通過(guò)本焊接工藝研究，主要得到以下結(jié)論：

1）用拉伸試驗(yàn)檢測(cè)焊縫的力學(xué)性能，確定了最佳焊接工藝參數(shù)。對(duì)于2.5 mm+1.2 mm 組合搭接焊接，最佳焊接工藝參數(shù)為送料速度1 m/min、激光功率1800 W；1.5 mm+1.2 mm 組合的最佳焊接工藝參數(shù)為4.5 m/min、3000 W；1.0 mm+1.0 mm 組合的最佳焊接工藝參數(shù)為3.5 m/min、1800 W。

2）CT 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在引弧區(qū)和收弧區(qū)存在一些氣孔缺陷，但焊縫中間區(qū)域氣孔缺陷很少，不影響使用。

3）對(duì)于這些樣件的焊縫檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，接頭區(qū)域組織致密。

利用本工藝研究所選定的最佳焊接工藝參數(shù)開(kāi)展了KM8 熱沉結(jié)構(gòu)的焊接，焊接效果很好，現(xiàn) 已經(jīng)完成了近一半的焊接工作。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)都滿足設(shè)計(jì)要求，充分驗(yàn)證了本研究所確定的焊接工藝參數(shù)的有效性。

（References）

[1] 王浚,黃本誠(chéng),萬(wàn)才大.環(huán)境模擬技術(shù)[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,1996: 490

[2] 于濤,劉敏,鄒定忠.航天器空間環(huán)境模擬器熱沉熱均勻性分析[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2006,26(6): 37-41 Yu Tao,Liu Min,Zou Dingzhong.Thermal uniformity analysis for heat sink of space simulator[J].Chinese Space Science and Technology,2006,26(6): 37-41

[3] 張立偉,張文杰,魏仁海,等.不銹鋼管銅翅片熱沉制造關(guān)鍵技術(shù)[J].航天器環(huán)境工程,2008,25(6): 587-590 Zhang Liwei,Zhang Wenjie,Wei Renhai,et al.The manufacturing technique of stainless steel pipe and copperplate structure in heat sink[J].Spacecraft Environment Engineering,2008,25(6): 587-590

[4] 王立.不銹鋼銅熱沉是新的發(fā)展方向[J].航天器環(huán)境工程,2007,24(5): 331-335 Wang Li.Stainless steel-copper heat sink as a new trend of development[J].Spacecraft Environment Engineering,2007,24(5): 331-335

[5] 李罡.真空熱環(huán)境試驗(yàn)新型不銹鋼結(jié)構(gòu)熱沉加工工藝研究[J].航天器環(huán)境工程,2011,28(3): 246-250 Li Gang.Manufacturing process of a new type of stainless steel thermal shroud for spacecraft thermal vacuum testing[J].Spacecraft Environment Engineering,2011,28(3): 246-250

[6] 張磊,劉敏,劉波濤.流速及進(jìn)出液口形式對(duì)板式熱沉換熱性能影響[J].航天器環(huán)境工程,2012,29(5): 566-570 Zhang Lei,Liu Min,Liu Botao.Effects of velocities and inlet-outlet forms on heat transfer of plate-style heat sink[J].Spacecraft Environment Engineering,2012,29(5): 566-570

[7] Amlinger H,Bosma S J.Characteristics and performance of the ESTEC large space simulator cryogenic system,NASA-88N10849[R],1986: 236-247

[8] 許貞龍,李玉忠,劉序,等.不銹鋼板式熱沉脹形工藝試驗(yàn)研究[C]//中國(guó)宇航學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與環(huán)境工程專(zhuān)委會(huì)中國(guó)航天第十專(zhuān)業(yè)信息網(wǎng)暨五院科技委環(huán)境工程與可靠性專(zhuān)業(yè)組2014年度學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集,2014: 238-245

[9] 劉敏,鄒定忠,劉國(guó)青.鋁熱沉的焊接技術(shù)[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2001,1(1): 43-46 Liu Min,Zou Dingzhong,Liu Guoqing.Welding technique of aluminum heat sink[J].Missiles and Space Vehicles,2001,1(1): 43-46

[10] 單巍巍,丁文靜,王紫娟,等.不銹鋼漲板式熱沉性能分析及其數(shù)值模擬[J].真空與低溫,2011(增刊1): 557-561

[11] 楊立軍,孫貴錚,王金杰,等.A304 不銹鋼薄板激光焊工藝試驗(yàn)研究[J].電焊機(jī),2011,41(1): 66-69 Yang Lijun,Sun Guizheng,Wang Jinjie,et al.Study on laser welding of A304 stainless steel sheet[J].Electric Welding Machine,2011,41(1): 66-69

[12] 閻小軍,楊大智,劉黎明.316L 不銹鋼薄板脈沖激光焊工藝參數(shù)及接頭組織特征[J].焊接學(xué)報(bào),2004,25(3): 121-123 Yan Xiaojun,Yang Dazhi,Liu Liming.Welding parameters and microstructure of pulse laser welded 316L stainless steel sheet[J].Transactions of China Welding Institution,2004,25(3): 121-123