隔層結構球形貯箱VP-TIG焊接

張國軍 朱迅強 胡明華 樂 斌

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隔層結構球形貯箱VP-TIG焊接

張國軍 朱迅強 胡明華 樂 斌

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

介紹了某球形貯箱隔層結構特點和技術要求，分析了貯箱焊接性和焊接難點，制定了詳細的焊接工藝方案，從焊接夾具、焊接工藝、焊接參數等方面詳細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，試驗結果表明試制的球形貯箱產品的焊接質量符合設計要求, 工藝方案完全適合于隔層結構球形貯箱的焊接加工。

隔層結構球形貯箱；VP-TIG；鋁合金

1 引言

鋁及鋁合金由于其優異的物理性能、化學特性、力學性能及工藝特性，在航天、航空、運輸等行業得到了廣泛的應用，是航空航天較為理想的結構材料，在運載火箭貯箱結構設計中常作為首選材料。

運載火箭貯箱既起著承受各種外載荷及內壓的作用，又承擔著支承各個系統的作用，同時又是存放火箭推進劑的大型容器。為了提高火箭的運載能力，較多地采用了薄壁結構。在某新型貯箱的研制過程中，綜合考慮結構強度、重量、體積、外形和布局等多因素要求，采用了隔層球形結構設計，與傳統的圓柱貯箱結構存在較大差別，在產品精度、制造要求等方面有特殊要求，因此必須對其制造技術展開研究。

2 貯箱結構特點及焊接要求

2.1 貯箱結構特點

貯箱為大直徑薄壁球形構件，上、下為兩個半球，中間為連接環，貯箱內部為金屬膜片，連接環截面為“叉”形，上半球、下半球、金屬膜片通過與連接環的分叉相焊接構成球形整體。其中上、下半球采用5A06鋁合金拉伸成形，半徑規格為355mm，壁厚尺寸為3.8mm，蒙皮厚度為1.8mm。膜片材料為L3，焊接邊厚度為1.6mm，膜片內徑尺寸為350mm，連接環采用5A06鍛件機加工。

2.2 貯箱焊接技術要求

球形貯箱全部采用鋁合金材料，結構尺寸大，制造難度較大。產品接頭設計主要有對接接頭及鎖底接頭兩種結構形式，半球殼體外側采取翻邊與接管嘴相連接，連接環鎖底槽與金屬膜片卷邊構成環縫鎖底接頭，上、下半球與連接環為對接接頭。接管嘴焊縫采用手工填絲焊，金屬膜片、上半球、下半球與連接環的連接全部采用自動化焊接。

貯箱技術指標分別從X光檢查、整體焊縫強度、氣密試驗、檢漏率等方面，對焊縫提出要求。

a. 設計規定對所有焊縫按照QJ 2698A—2011 I級焊縫要求進行X射線探傷。

b. 整球狀態下，先使用壓力為0.9MPa的液體進行焊縫強度、氣密試驗，保壓15min，再充0.756MPa的氣體，保壓15min，在焊縫表面涂肥皂泡，要求無滲漏。

c. 鎖底接頭制作后，對焊縫進行氦質譜檢測，要求檢漏率<10-8Pa·m3/s。

3 主要技術難點

3.1 焊接變形控制

上半球與連接環、下半球與連接環的環縫均為封閉焊縫。上、下半球焊接時，溫度應力超過母材的屈服強度，由于上、下半球為薄壁結構件，剛性較差，故焊縫易出現錯位變形。該錯位在外觀上表現為半球外凸的形式[1]。

半球呈現外凸，造成錯位，導致焊接難度的增大，對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，常見因錯位引起的焊接缺陷如圖2所示。

圖2 錯位引起的焊接缺陷

3.2 焊接質量穩定性要求高

球形貯箱共有三條焊縫，上半球與連接環焊接完成后，背后為敞開式，可以進行機械修整。金屬膜片與連接環為鎖底接頭設計，下半球與連接環焊接后為封閉結構，對外的開口僅有半球殼體上的若干接管嘴。接管嘴內徑最大為16mm，且距離焊縫較遠。

對于鎖底焊縫、下半球與連接環的焊縫，受限于結構特性，根本無法進入內部，正常的背面修整作業無法進行。這就對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，不會產生飛濺，電弧燃燒過程穩定，是有色金屬單面焊雙面成形的優推方法。對于隔層結構貯箱焊接接頭，由于焊接對象是薄壁鋁合金，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，適用于薄壁結構的焊接；對于半球和接管嘴，接管嘴直徑小，采用手工鎢極焊接，對于半球和連接環的焊接則采用自動化設備進行。

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

4.2 焊絲選擇及試驗

連接環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，連接環材料為5A06，其化學成分如表1所示。

表1 L3純鋁及5A06鋁合金和化學成分 %

表2 接頭機械性能及無損檢驗結果

異種金屬焊接時，對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性能，文獻[2]推薦焊絲選擇5A06，通過試板檢驗焊絲的性能，試板厚度為1.6mm。對焊后的試板取三組試樣進行X射線檢驗和力學性能測試，檢驗結果如表2所示。試板試驗表明，選擇5A06焊絲，滿足QJ 2698—95 I 級焊縫要求。

4.3 焊接夾具

工裝設計包括兩個方面，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構，而上、下半球、金屬膜片皆為薄壁圓形構件，剛度差，難以用于裝卡基準。連接環為機加工鍛件，整體剛性好，選擇整球中間位置的連接環作為待裝位置。采取外包箍式裝配方案，裝配時，待焊工件伸出抱箍，保證焊槍可達性。

圖3 焊接工裝及使用

其次解決焊接時上、下半球變形問題，以上、下半球圓面為基準設計，設計一個帶有卡環的抱箍，焊接時利用尾座一定的進給量，使卡環與半球貼胎，增大半球剛度，抑制焊接時的錯位現象。

4.4 焊前清洗

焊接前零件清洗程度對焊接內部質量影響很大，僅使用常規刮削去除難以滿足質量需求。

采用機械清理與化學清理相結合的方法去除，即連接環與上半球連接部分先機加工（連接環下半球部分有加工余量），然后連接環整體表面陽極化，再機加工連接環下部鎖底槽，以機加工的方式實現對氧化膜去除，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量電吹風吹干[3]。類似的技術也用于連接環與下半球焊接時，連接環背后凹槽氧化膜的處理。

4.5 合適的焊接參數

為了調試出合適的焊接參數，摸索焊接參數和焊縫背后成形的關系，提高下半球焊接的一次成功率。設計了下半球與連接環焊接試驗件，觀察和優化焊縫成形。

采用雙層焊進行半球與連接環的焊接[4]，選擇大電流、小送絲的方式進行打底焊接。實現良好的單面焊接背面成形，背面焊漏控制在1.0mm之內，保證根部焊透及內部質量。蓋面焊接主要是保證正面成形質量，優化焊縫表面，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。最后所調試的焊接參數如表3所示。

表3 上、下半球焊接參數

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

表4 隔層焊接參數

5 大直徑球形貯箱的試制和檢測結果

5.1 外觀質量

焊接完成后，檢測焊縫外表面質量，焊縫表面無氣孔，成形良好。焊縫寬度一致性好，余高滿足要求，不存在咬邊現象。焊縫表面質量如圖4所示。

圖4 焊縫表面成形質量

5.2 內部質量

焊縫內部質量要求為QJ 2698—95 I級。根據標準，對焊縫進行射線探傷，未發現超標缺陷。

5.3 強度、氣密測試

強度試驗未發現滲漏現象，氣密試驗未發現氣泡。試驗結果表明焊縫全部符合強度、氣密要求。抽樣爆破試驗超出設計要求。

5.4 氣腔氦質譜檢測

在上述產品生產過程中，金屬膜片與連接環焊接完成后，對氣腔進行氦質譜檢測。實際檢測結果符合設計要求。

6 結束語

大直徑球形貯箱的焊縫檢測結果表明，工藝流程和加工方案適用于產品生產，焊接措施效果明顯，解決了薄壁鎖底結構焊接及大直徑半球形貯箱焊接變形的雙重技術難題，其中，單面焊接雙面高質量成形技術與合適的抑制焊接變形的工裝是解決導熱快、薄壁、近密封球形結構焊接的技術關鍵。

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

2 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2002

3 黃旺福，黃金剛. 鋁及鋁合金焊接指南[M]. 湖南：湖南科學技術出版社，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

張國軍（1984），工程師，材料專業；研究方向：焊接工藝與工藝自動化。

2017-04-25