星船適配器環縫焊接工藝改進

潘彥云，武文，賈志欣

天津航天機電設備研究所 天津 300450

衛星適配器自從由結構焊接代替鑄造后，成品率基本在95%～98%，經過補焊都能達到100%合格。但在材料的選用上都留有很大的加工余量，以防止因焊接變形而導致產品不合格。另外設計要求焊縫要達到QJ 2698A—2011的Ⅱ級焊縫，100%X射線檢測。為了保證焊接質量，在外圈單V形坡口焊接完成進行車床清根后，做一次X射線檢測，焊接完成后再進行一次最終的X射線檢測。不僅提高了經濟成本，也延長了生產周期，影響了加工效率。為了解決這些問題，以進一步規范適配器焊接制造工藝，通過多次試驗，對焊接坡口、焊接方法、焊接參數都做了調整。生產出的適配器都優于之前工藝，生產出的產品，更加規范了適配器的焊接工藝。

1 零件結構特點

衛星、飛船適配器為焊接結構件，由上法蘭、錐筒段（或直筒段）、下法蘭焊接而成（見圖1），直徑一般約φ2000mm，高300～500mm。其中法蘭和筒段自身也為板材拼焊件，本文只討論上下兩條環形焊縫。

圖1 適配器焊接結構

2 5A06鋁合金的性質及焊接特點

5A06是Al-Mg系合金中的典型合金，具有質量輕、強度高、耐蝕性良好、焊接性強的特點，廣泛應用于航天航空制造中，但是鋁鎂合金在焊接中易產生氣孔、裂紋、夾渣及未焊透等缺陷，而且線膨脹系數大，易產生焊接變形，嚴重影響產品質量及性能。通過近兩年的研究，裂紋和夾渣都得到了有效控制，當前影響焊縫質量的主要因素，就是根部的未焊透及氣孔，補焊最多的也是這兩種缺陷。

3 產生未焊透和氣孔的主要原因分析

（1）未焊透 適配器主要缺陷是根部未焊透，因為適配器是由上下法蘭和筒段三部分組成。由于材料厚度都在30mm以上，筒段在滾制過程中圓柱度≥5mm，車制的坡口不在中性層上，因此裝配定位焊時，筒段與法蘭焊接易發生錯邊現象，導致焊接時難以熔透，產生未焊透缺陷。

上下2條環焊縫焊接坡口形式如圖2所示。錯邊產生過程如圖3所示。

（2）氣孔 ①材料特性：由于液態鋁在高溫時能吸收大量的氫，冷卻時氫在其中的溶解度急劇下降，固態時又不溶解氫，同時鋁合金密度小，導熱性很強，不利于氣體的溢出，因此鋁合金焊接易產生氣孔。②氬氣的純度和流量：氬氣的流量是影響熔池保護效果的一個重要參數。保護氣體流量過小，氬氣挺度不夠，排除周圍空氣弱，保護效果差；保護氣體流量大，不僅浪費氬氣而且會引起噴出氣流層流區縮短，穿流區擴大，將空氣卷入保護區，反而降低保護效果，因此應選擇合適的氬氣流量，氬氣流量與噴嘴直徑大小有關。③氬氣純度對焊接質量也有較大影響，氬氣純度低，雜質多，可增加弧柱氣氛中氫的含量，同時也降低“陰極霧化”的效果[1]。

圖2 焊接坡口形式

圖3 錯邊產生過程

（3）其他影響未焊透及氣孔的因素 ①環境濕度≤70%，盡量控制在65%以下。②焊件坡口的選擇及鈍邊的厚度、間隙。③焊接方法及弧長的控制，焊接參數的合理設置。

4 適配器改進后的工藝及新型工藝的對比

4.1 以某型號衛星適配器為例

上下法蘭為φ1600mm、φ1930mm，厚度為80mm；筒段高度為480mm，厚度為35mm，如圖4所示，焊縫為Ⅱ級焊縫100%X射線檢測。

圖4 某型號衛星適配器

4.2 坡口的選擇

（1）舊工藝 采用雙V形坡口，如圖5所示，坡口角度為45°，鈍邊為2mm，間隙為2.5mm，采用這種坡口，當初是為了TIG焊打底時能有效地焊透，MIG焊接時焊槍的噴嘴能下降到焊縫的合適位置，保證焊道里的空氣能被氬氣有效排出，保證焊縫質量，但是這里要提出的是，筒段與上下法蘭的配合精度要求很高。①首先法蘭尺寸是機械加工出來的，精度是可以保證的，但筒段是由板材滾制而成，直徑誤差最好時也只能控制在3～5mm，這時筒段在車削坡口時，鈍邊很難保證都在筒段的中性層上，故而造成局部的坡口錯邊，同時板材余量要放大，至少要保證筒段內外各有7mm的加工量，伴隨著法蘭對接處的余量也隨之加大，無形之中加大了經濟成本和焊接工作量，增加了產生焊接缺陷的機會。②這種2mm鈍邊還要留有2.5mm間隙，對于對接點焊定位時也有很大的難度，原本就有錯邊，這種“尖對尖”的懸空組對在焊接時往往會加大產生錯邊的概率，使焊件的根部未焊透及氣孔的產生大大提高。

圖5 舊工藝雙V形焊接坡口

（2）新工藝 ①通過翻閱資料以及借鑒其他厚壁件對接坡口的方法，對坡口的角度以及先后順序、間隙都做了改進。首先坡口上使用了偏心的雙V形坡口，而且為6:4的比例，即先在筒段和上下法蘭的外部，車削（35×0.6mm=21mm）深為21mm的30°V形坡口，間隙放大到3.2mm，剩余厚度（35-21mm=14mm）14mm都作為鈍邊，暫時不車削坡口。②筒段滾制完成后，內部可以使用圓管進行內襯，直徑誤差能有效控制在1～2mm，這時再車削坡口，這樣能大大減少發生錯邊的概率。如果有錯邊，這時就要進行測量保留數據，如果有超出14mm，以最大的數據進行保留。③圓度保證了，鈍邊加大了，也降低了懸空配合組焊的難度，同時坡口控制在60°左右，筒段內外壁余量降低到3mm，降低了勞動強度，減少了產生焊接缺陷的概率。

改進后的坡口及焊接過程如圖6所示，第一次坡口如圖7所示，實物如圖8所示。

4.3 焊接方法及X射線檢測

1）首先要對工件進行焊前清理，采用化學物理方法清洗后（見表1），必須在24h內進行焊接，而且在焊前還要用鋼絲刷再進行一次清理，然后4h內必須完成焊接。

2）打底焊采用TIG焊進行施焊，但是在焊接參數和預熱溫度上，都有了很大的區別，見表2。

3）填充焊采用MIG焊進行填充，焊接參數見表3。

圖6 改進后的坡口

圖7 第一次開坡口

圖8 第一次開坡口實物

4）在進行填充焊時，由于新工藝的坡口夾角由原來的90°變為60°，而且深度加大，使焊槍很難下降到合適的高度，為了解決這個難題，對MIG焊嘴進行了改造（見圖9），并配備焊接變位機，由于焊槍不動，工件在勻速轉動，這樣可以使電弧電壓，弧長更加穩定，能有效地把焊道內的空氣排出，杜絕了氬氣紊流現象，同時降低了弧柱氣氛中的氫含量，提高了“陰極霧化”效果，也減少了焊接接頭，大大提高了焊縫質量。經過多次試驗，焊縫質量都能滿足設計要求。

圖9 噴嘴改造前后對比

5）在筒段與上下法蘭、外部焊接完成后，舊工藝首先要進行背部的機械清根，由于筒段鈍邊局部不在中性層上，以及對接定位焊時的誤差，導致筒段與法蘭發生錯邊，此時無法確定背面根部是否清理干凈，故要進行一次X射線檢測進行判斷，這樣一來成本提高，周期變大，直到完全沒有問題后再完成筒段與上下法蘭的內圈兩道焊縫，最終還要進行一次X射線檢測，作為產品檢驗報告。

表1 鋁鎂合金化學清理方法

表2 打底焊參數（米勒700焊機）

表3 填充焊參數（福尼斯TPS4000）

6）新工藝此時清根和二次開坡口合為了一道工序，方法使用R5mm×60°的成形刀進行開坡口，坡口深度要以之前記錄的數據為準，理論是14mm（如有大于14mm寬度的鈍邊，以寬的為基準再加上3mm），這就是所要車制坡口的實際深度，如圖10所示。按照這套方法可以達到滿意的清根效果，不僅有效地去除了未焊透，還杜絕了焊瘤、燒穿、未熔合等焊接缺陷，經過試驗證明，這時可以省去第一次X射線檢測判定工序，直接進行筒段與上下法蘭內圈的兩道焊縫的焊接，完成后只做最終X射線檢測，一次合格率提升到98%～100%。實物如圖11所示。

圖10 第二次開坡口

圖11 某型號適配器實物

5 結束語

綜上所述，在衛星、飛船適配器產品的研制中，舊工藝需進行二次車削獨立開坡口，一次車削清根，兩道X射線檢測；而采用新工藝，只需進行一次車削獨立開坡口，一次車削開坡口兼清根，僅做一次X射線檢測。采用新工藝后，節約了生產成本，減少了工序，縮短了生產周期，提高了產品合格率，同時為同類結構產品的研制積累了寶貴經驗，相關成果已應用在“嫦娥”系列、空間站系列、北斗系列等多個國家重點型號任務上。