不銹鋼空氣舵真空擴(kuò)散焊工藝

□ 高友價(jià)

常德翔宇設(shè)備制造有限公司 湖南常德 415000

1 研究背景

空氣舵是飛行器飛行路線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1],在飛行過(guò)程中通過(guò)改變空氣舵的角度,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器飛行姿態(tài)的控制。空氣舵的氣動(dòng)外形精度直接影響飛行器的控制精度,是飛行器的重要部件。為確保飛行器控制精度,在加工制造過(guò)程中必須保證極高的制造精度,尤其是空氣舵的舵面需要保證極高的對(duì)稱度。

焊接是制造空氣舵必不可少的工藝技術(shù)。國(guó)營(yíng)二八三廠在氬弧焊焊接空氣舵方面有很高的造詣,通過(guò)機(jī)加工工藝先將中空骨架舵體加工成型,再用氬弧焊對(duì)兩側(cè)薄壁舵面進(jìn)行焊接,焊接最薄舵面不大于0.2 mm。由這一工藝焊接的空氣舵,有一定的焊接殘余應(yīng)力,并且對(duì)焊接操作人員的技術(shù)有極高要求。張麗娜等[2]研究了鈦合金舵芯的電子束焊接工藝,通過(guò)分析蒙皮與骨架的接頭型式及優(yōu)化焊接順序,得到焊縫外觀成形良好、內(nèi)部質(zhì)量好、焊接變形小的舵芯。梅述文等[3]研究了鈦合金蒙皮骨架結(jié)構(gòu)件光纖激光焊工藝,通過(guò)優(yōu)化激光焊新型噴嘴及工藝參數(shù),得到800 MPa拉伸強(qiáng)度的焊接接頭。無(wú)論是氬弧焊、電子束焊,還是激光焊,均會(huì)在焊接零件上殘留一定的焊接應(yīng)力,雖然可以對(duì)焊后零件進(jìn)行一些校形,但是由于零件兩側(cè)翼面為復(fù)合斜面結(jié)構(gòu),缺乏校正基準(zhǔn),很難得到高精度的舵面。在焊前留有一定的加工余量,再進(jìn)行機(jī)械加工,這樣雖然舵面輪廓與位置精度能夠得到一定保證,但是焊接變形會(huì)導(dǎo)致舵面的壁厚均勻性產(chǎn)生偏差,并且舵面壁厚一般不大于1.5 mm,壁厚偏差會(huì)對(duì)舵面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

1934年成立的烏克蘭巴頓焊接研究所在焊接技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究工作[4],取得了很多研究成果,并且廣泛應(yīng)用于蘇聯(lián)的航天航空、核能工程、機(jī)械制造、石油化工等領(lǐng)域,所研究的真空狀態(tài)加溫加壓固相焊接技術(shù),即真空擴(kuò)散焊接技術(shù),具有焊后變形小、焊接應(yīng)力殘余少的優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在真空擴(kuò)散焊研究與應(yīng)用方面同樣走在世界前列,并且針對(duì)真空擴(kuò)散焊的結(jié)合性質(zhì),提出各種理論流派,如薄膜理論、再結(jié)晶理論、泛錯(cuò)理論、能量理論、空穴理論、擴(kuò)散理論等[5]。我國(guó)對(duì)擴(kuò)散焊的研究起步于20世紀(jì)60年代初期,隨著真空擴(kuò)散焊的優(yōu)點(diǎn)被眾人所認(rèn)可,對(duì)真空擴(kuò)散焊設(shè)備的研制及焊接工藝的研究也取得一定進(jìn)步。目前,我國(guó)已有千噸級(jí)大型真空擴(kuò)散焊設(shè)備。真空擴(kuò)散焊設(shè)備各系統(tǒng)如圖1所示。

真空擴(kuò)散焊指在真空環(huán)境中相互接觸、純凈的材料表面在高溫和壓力的作用下相互靠近,發(fā)生局部塑性變形,原子間產(chǎn)生相互擴(kuò)散,在界面形成新的擴(kuò)散層,從而形成可靠的連接[6]。真空擴(kuò)散焊通過(guò)液壓油缸軸向加壓的方式,實(shí)現(xiàn)大面積、大噸位復(fù)雜構(gòu)件多處焊縫的連接。1Cr18Ni9Ti不銹鋼具有優(yōu)良的耐蝕性、耐熱性,以及良好的機(jī)械加工性,廣泛用于航空航天產(chǎn)品關(guān)鍵重要零部件的制造[7]。王西雁等[8]對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼真空擴(kuò)散焊進(jìn)行研究,基本確定了1Cr18Ni9Ti不銹鋼的擴(kuò)散焊參數(shù),焊合率達(dá)到100%,焊接強(qiáng)度接近甚至達(dá)到母材強(qiáng)度。真空擴(kuò)散焊的優(yōu)點(diǎn)能夠很好地滿足空氣舵的焊接及制造要求。

▲圖1 真空擴(kuò)散焊設(shè)備各系統(tǒng)

2 空氣舵真空擴(kuò)散焊工藝

2.1 焊前工藝方案

通過(guò)分析空氣舵的結(jié)構(gòu),將空氣舵分為上半件、下半件兩個(gè)對(duì)稱件,在舵面外側(cè)及四周留有工藝余量,用作真空擴(kuò)散焊過(guò)程的加壓承力面及真空擴(kuò)散焊焊后的工藝基準(zhǔn)。在數(shù)控加工中心上將空氣舵中空腔體及隔筋加工成型?？諝舛娣謮K件如圖2所示。

▲圖2 空氣舵分塊件

2.2 工藝流程

空氣舵真空擴(kuò)散焊工藝流程如下:

(1) 用機(jī)械加工手段加工空氣舵上半件和空氣舵下半件;

(2) 進(jìn)行真空擴(kuò)散焊焊前去油、去污清洗,以及鍍鎳處理;

(3) 進(jìn)行真空擴(kuò)散焊焊前精洗、吹干,空氣舵進(jìn)入無(wú)塵間裝配;

(4) 空氣舵轉(zhuǎn)移進(jìn)爐,空氣舵真空擴(kuò)散焊爐內(nèi)情況如圖3所示;

▲圖3 空氣舵真空擴(kuò)散焊爐內(nèi)情況

(5) 按真空擴(kuò)散焊工藝參數(shù)施焊,1Cr18Ni9Ti不銹鋼真空擴(kuò)散焊工藝參數(shù)如圖4所示。

▲圖4 1Cr18Ni9Ti不銹鋼真空擴(kuò)散焊工藝參數(shù)

為了保證升溫的均勻性,按圖4所示階梯升溫加壓實(shí)施真空擴(kuò)散焊,加壓時(shí)真空度不高于3×10-3Pa。保溫保壓后,停止加熱。待爐溫降至100 ℃后,打開(kāi)爐門(mén),取出空氣舵。

2.3 焊后加工及檢測(cè)

空氣舵在真空擴(kuò)散焊前,兩側(cè)復(fù)合斜面的舵面留有工藝余量,作為焊后加工的工藝基準(zhǔn)?；谠摴に囉嗔康幕鶞?zhǔn)面加工兩側(cè)舵面,再去除四周工藝余量,直至空氣舵成型[9]。通過(guò)手持式掃描儀對(duì)空氣舵進(jìn)行三維掃描檢測(cè)。手持式掃描儀如圖5所示,基本參數(shù)見(jiàn)表1。

三維掃描空氣舵成品與理論空氣艙精度對(duì)比如圖6所示。由圖6可以看出,舵面輪廓度精度不底于0.1 mm,空氣舵舵面輪廓度的高精度要求及兩側(cè)舵面的對(duì)稱度要求能夠得到保證,基于真空擴(kuò)散焊焊前工藝基準(zhǔn)加工的兩側(cè)復(fù)合斜舵面的壁厚均勻性也能夠得到保證。

▲圖5 手持式掃描儀

表1 手持式掃描儀基本參數(shù)

▲圖6 三維掃描空氣舵成品與理論空氣舵精度對(duì)比

3 焊后取樣金相分析

由于空氣舵結(jié)構(gòu)厚度不大于30 mm,不足以取樣做拉伸試棒,因此取空氣舵工藝邊料按GB/T 26955—2011[10]做金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn),按GB/T 6394—2017[11]進(jìn)行晶粒度對(duì)比。

空氣舵上半件、下半件焊縫位置金相組織結(jié)構(gòu)如圖7所示。由圖7可以看出,焊縫未見(jiàn)未熔合及未焊透,且未見(jiàn)裂紋、層狀撕裂、孔穴、夾渣等缺陷。

▲圖7 空氣舵焊縫位置金相組織結(jié)構(gòu)

焊后空氣舵上半件母材晶粒度為五級(jí),如圖8所示。焊后空氣舵下半件母材晶粒度為八級(jí),如圖9所示。由金相分析可以得出,1Cr18Ni9Ti不銹鋼空氣舵真空擴(kuò)散焊的焊合率能夠得到保證,母材晶粒度未發(fā)生較大改變[12]。

▲圖8 焊后空氣舵上半件母材晶粒度

▲圖9 焊后空氣舵下半件母材晶粒度

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)不銹鋼空氣舵舵體的制造工藝進(jìn)行分析,提出針對(duì)不銹鋼空氣舵采用真空擴(kuò)散焊工藝,能夠滿足復(fù)合斜面結(jié)構(gòu)空氣舵的輪廓度、對(duì)稱度高精度,以及舵面壁厚均勻的制造要求,同時(shí)也能夠滿足性能需求,為金屬類空氣舵的制造提供了借鑒和參考。