推進劑管理裝置的可靠性增長及試驗驗證

俞 鈞 馬天駒 顧森東 許 巍 張永和

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

推進劑管理裝置的可靠性增長及試驗驗證

俞 鈞1馬天駒1顧森東1許 巍2張永和1

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

文摘采用原始的焊接方式焊接篩網式推進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行了不銹鋼篩網與鈦合金支壓板的電阻縫焊試驗以及隨后這兩者與鈦合金骨架的電子束焊試驗，然后進行了地面力學環境下的振動試驗，以驗證焊接方式改進后收集器的可靠性。焊接試驗結果表明，純鈦箔過渡層一方面可以大幅降低篩網在電阻縫焊時的焊接熱量，有效地減小篩網的熱變形；另一方面可以在電阻縫焊后形成牢固、封閉的純鈦/不銹鋼篩網焊縫過渡區，有效地增加電子束焊時篩網的變形抗力，從而使得焊接后試樣的合格率和性能大幅提高。振動試驗結果表明，焊接方式改進后收集器的可靠度置信下限從0.90增加到了0.96。

推進劑管理裝置，鈦合金，不銹鋼，電阻縫焊，電子束焊，振動試驗

0 引言

表面張力推進劑貯箱是航天衛星推進分系統中貯存、管理和供應推進劑的重要部件，其關鍵部分是安裝在貯箱殼體內部的推進劑管理裝置(PMD)[1-4]。根據PMD的工作原理，可以把PMD分為篩網式和孔板式兩種。篩網式PMD主要由各種收集器、導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，利用收集器上毛細篩網的表面張力液體蓄留原理為發動機提供指定流量的、不夾雜增壓氣體的、無壓力擾動的推進劑[2,5]。因此，PMD功能的可靠性，對保證衛星推進系統在空間正常工作有決定性的作用和影響。

收集器是PMD的關鍵功能組件之一，主要由篩網、支壓板和骨架組成。其中，篩網起分隔氣液作用，支壓板上下夾住篩網，以增強篩網對振動、液體沖擊等的抗力能力，骨架主要給篩網和支壓板提供支撐，并通過管道等與PMD的其他結構連接起來。收集器的制造過程所涉及到的焊接類型包括電阻縫焊、固定點焊和電子束焊。支壓板與篩網之間一般采用電阻縫焊。其原始焊接方式為：不銹鋼篩網先與一片支壓板滾焊，然后將帶篩網的支壓板與另一片支壓板及骨架進行裝配，裝配合格的收集器先采用自動氬弧焊對收集器圓周均布8處進行固定點焊，最后采用電子束焊進行密封焊接。但由于篩網結構較脆弱且鈦合金與不銹鋼在焊接時會產生較大的應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鈦合金支壓板與不銹鋼篩網進行電阻縫焊易造成篩網的網絲扭曲變形，進而對后續的電子束焊質量及最終產品的可靠性都有嚴重的影響。

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

1 實驗

1.1材料

試驗用收集器結構如圖1所示。其中，篩網材料為304不銹鋼，規格為325 mm×2 300 mm×0.089 mm，即橫縱兩向25.4 mm的長度上分別有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試驗過程

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

材料準備完成后首先進行不銹鋼篩網與鈦箔的電阻縫焊。焊接設備為美國漢森AP精密電阻縫焊機，焊接過程為連續縫焊，將焊件壓緊在兩輪電極之間，與篩網接觸的上電極輪沿著圖1中的電阻縫焊位置滾動一周，直流電流流經電極輪與焊件接觸的區域，產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，達到焊接的目的。其中，加純鈦箔過渡層時先進行不銹鋼篩網與鈦箔焊接，再進行鈦箔與鈦合金支壓板焊接。根據縫焊工藝曲線[18]，縫焊過程要經歷預壓、預熱、焊接、焊后緩冷等步驟。實驗編號及焊接工藝參數對比如表1所示。

表1 電阻縫焊工藝參數對比

每組試驗各重復進行20次。電阻縫焊完成后，將上述兩組焊件分別放入裝有無水乙醇的貯液槽內測量篩網的泡破點值。

接著選取兩組電阻縫焊試驗中泡破點值合格的焊件與另一件支壓板及骨架進行裝配并在氬氣的保護下采用自動氬弧焊設備進行均布8處固定點焊。最后采用電子束焊，對裝配完成的收集器(圖1)施加一定的壓緊力，一次完成收集器圓周焊縫的焊接。焊接設備為法國TECEMETA公司LARA52型-310真空電子束焊機。實驗編號及焊接工藝參數對比如表2所示。

表2 電子束焊工藝參數對比

支壓板與骨架電子束焊接后，為了降低或消除焊接應力的影響，需要對焊件進行真空退火。最后再次測量兩組焊件篩網的泡破點值。每組試驗同樣重復進行20次。

2 試驗結果對比分析

2.1電阻縫焊結果對比分析

圖3為不同焊接方式下電阻縫焊后試樣的泡破點值。根據設計要求，該規格收集器的泡破點值大于5.7 kPa(圖中虛線)。在A組試驗中，泡破點值基本分布在5～6.5 kPa之間，個別值到了2 kPa左右，數據離散性較大，只有13個收集器達到了設計要求，合格率僅為65%。在B組試驗中，大部分泡破點值大于5.7 kPa，數據較為穩定，有18個收集器達到了設計要求，合格率為90%，提升了25%。

對比焊接工藝，支壓板與篩網電阻縫焊時焊接電壓較高，其焊接熱量也較大。由于在整個焊接過程中篩網是主要的受熱部件，所以篩網首先熔化變形，再與支壓板結合形成焊縫。這是造成焊后試樣泡破點值下降的主要原因。但與B組試驗相比較，由于純鈦箔與篩網的焊接是等厚低熱量焊接，其結構改善了熱量分布，把對篩網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。

為了分析焊縫質量，選取電阻縫焊后泡破點值合格的焊件進行切割、預磨和拋光后，在掃描電鏡下觀察試樣焊縫處的微觀結構并拍照。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的過渡區很窄。此外，受電極輪的壓力影響，篩網網絲產生變形，在網絲之間形成了空隙。這表明采用原始焊接方式，不能很好的實現鈦合金支壓板與不銹鋼篩網的結合，焊縫質量較差。與圖4(a)相比較，不銹鋼篩網和純鈦箔形成了牢固、封閉的焊接過渡區，焊縫質量較好。這是因為純鈦箔厚度較薄且熱塑性較好，在壓力和高溫的作用下填充進入了網絲間隙。可見，鈦合金支壓板與不銹鋼篩網之間加0.1 mm純鈦箔進行焊接是較為可靠的一種焊接方式。

2.2電子束焊后的試驗結果對比分析

圖5為不同焊接方式下電子束焊后試樣的泡破點值。改進電阻縫焊方式前，由于不銹鋼篩網與支壓板在電阻縫焊后產生較大的應力且焊縫質量較差，經過電子束焊接后，焊件的泡破點值在3～6.3 kPa之間，標準偏差為735.96 Pa，數據離散性較大。電子束焊合格率為80%。

改進電阻縫焊方式后，由于電阻縫焊后形成牢固、封閉的焊接過渡結構有效地阻止了二次焊接時篩網的變形，經過電子束焊接后，焊件的泡破點值在5.9～6.5 kPa之間，標準偏差為155.98 Pa，數據穩定性好。滾焊合格率也達到了100%。

3 可靠性試驗驗證

為了驗證收集器性能的可靠性，選取退火后泡破點值合格的上述兩組焊件先后進行3次正弦振動、隨機振動試驗，以模擬衛星發射時所處的力學環境狀態下收集器是否失效，各重復進行20次。其中，模擬振動情況的振動胎具如圖6所示。試驗過程及載荷條件見文獻[19]。

對比表3中的數據可以明顯看出，前兩次振動試驗中，A組焊件泡破點值的標準偏差較大，且在第三次振動試驗后個別焊件的泡破點值不合格。而B組焊件在每次振動試驗后焊件的泡破點值均合格。這說明焊接方式改進后收集器組件的焊縫質量和可靠性都明顯提高。

frequencyofvibrationA合格率/%標準偏差/Pa B合格率/%標準偏差/Pafirst100177.83 100130.42second100154.53 100102.30third9590.68 100113.75

根據二項分布單元的經典方法對收集器的可靠性分別進行評定，成敗型可靠度置信下限由下式確定[20-21]：

(1)

當F=0時，

(2)

式中，N為有效試驗次數；F為試驗失敗次數，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。

以第三次振動試驗后泡破點值為評定數據，經計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，改進焊接方式后的收集器可靠度單側置信下限為0.96。可見，收集器的電阻縫焊方式改進后其可靠性明顯增長。

4 結論

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

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

(3)振動試驗結果表明，焊接方式改進后收集器的可靠度置信下限從原來的0.90提高到了0.96，其可靠性明顯增長。

致謝感謝蘭州空間技術物理研究所陳威高工，在試驗研究過程中給予的幫助和指導。

[1] HARTWIG J W, DARR S R,MCQUILLEN J B, et al. A steady state pressure drop model for screen channel liquid acquisition devices[J]. Cryogenics, 2014, 64: 260-271.

[2] WOLLEN M, MERINO F, SCHUSTERR J. Cryogenic propellant management device conceptual design study[R]. NASA/CR-2010-216777, 2010.

[3] 李治，沈赤兵，周進. 通道式表面張力貯箱推進劑管理裝置的設計[J]. 推進技術, 2003, 24(4): 303-305.

[4] HARTWIG J W, J MCQUILLEN J B, DAVID J C. Performance gains of propellant management device for liquid hydrogen depots[R]. NASA/TM-2013-217834, 2013.

[5] 龐海紅. 通道式表面張力貯箱的研制[D]. 哈爾濱工業大學, 2009.

[6] GHOSH M, CHATTERJEE S. Characterization of transition joints of commercially pure titanium to 304 stainless steel[J]. Materials Science and Technology, 2002, 48(48): 393-399.

[7] WANG T, ZHANG B G, FENG J C. Influences of different filler metals on electron beam welding of titanium alloy to stainless steel[J]. Transactions Nonferrous Metals Society China, 2014, 24(1): 108-114.

[8] 魯磊. TC4鈦合金與304不銹鋼的電子束焊接方法研究[D]. 南京理工大學, 2012.

[9] ZHAO D S, YAN J C, LIU Y J, et al. Interfacial structure and mechanical properties of hot-roll bonded joints between titanium alloy and stainless steel using niobium interlayer[J]. Transactions Nonferrous Metals Society China, 2014, 24(9): 2839-2844.

[10] 黃利, 盛光敏, 羅軍, 等. 表面納米化0Crl8Ni9Ti/TAl7加鎳中間層擴散連接[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2014, 43(3): 864-869.

[11] 袁新建, 盛光敏, 秦斌, 等. 鈦合金/鎳箔/不銹鋼脈沖加壓擴散連接界面結構及接合強度[J]. 稀有金屬材料與工程, 2007, 36(9): 1617-1622.

[12] 李小強, 李元元, 邵明, 等. 加鎳過渡層鈦合金/不銹鋼網的擴散連接技術[J]. 華南理工大學學報(自然科學版), 2003, 31(6): 51-55.

[13] 李鵬, 李京龍, 熊江濤, 等. 添加Ni+Nb中間層的鈦合金與不銹鋼擴散焊工藝研究[J]. 航空材料學報, 2011, 31(3): 46-51.

[14] KUNDU S, CHATTERJEE S. Interface microstructure and strength properties of diffusion bonded joints of ti-tanium-Al interlayer-8Cr-8Ni stainless steel[J]. Materials Science and Engineering A, 2010, 527: 2714-2719.

[15] HE P, YUE X，ZHANG J H．Hot pressing diffusion bonding of a titanium alloy lo a stainless steel with an aluminum alloy interlayer[J]. Materials Science and Engineering A, 2008, 486(1/2): 17l-176.

[16] LEE J G, HONG S J, LEE M K, et al. High strength bonding of titanium to stainless steel using an Ag interlayer[J]. Journal of Nuclear Materials, 2009, 395: 145-149.

[17] KUNDU S, CHATTERJEE S, OLSON D, et al．Interface microstructure and strength properties of the diffusion-bonded joints of titanium/Cu interlayer/stainless steel[J]. Metallurgical and Materials Transactions (A), 2008, 39(9): 2106-2114.

[18] 李仕民, 楊尚磊, 樓松年. 航天貯箱用不銹鋼網與鈦合金板電阻縫焊技術研究[J]. 焊接技術, 2005, 34(5): 26-27.

[19] 姜萬順, 程彬, 劉志棟. 大容量推進劑貯箱力學環境試驗技術[J]. 航天器環境工程, 2004, 21(4): 1-6.

[20] 李丹. 二項分布參數置信區間的比較[D]. 東北師范大學, 2008.

[21] 賀成剛, 葉豪杰, 張迪. 一種改進的魚雷實航工作可靠度評定方法[J]. 魚雷技術, 2011, 19(6): 411-414.

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計與制造技術研究。E-mail: 68134330@qq.com