一種鋁合金材料雷達天線艙框架焊接加工工藝設計

陳小軍，周含宣，楊春鵬

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

雷達天線艙架設在艦船桅桿，受到海浪起伏、天線方位轉動等慣性載荷作用。天線艙框架是對整機機械性能、質量指標、控制系統的精度指標、安全指標等影響較大的結構件。[1]天線陣面為有源相控陣雷達的重要部件，天線艙框架為有源陣面提供安裝空間和支撐。

某雷達天線艙框架安裝如圖1所示。安裝在天線艙框架上的天線陣面包括T/R組件、分電箱及本振、時鐘、功分模塊、電源模塊、冷卻管路及環境監測裝置等。陣面內模塊眾多且互聯關系復雜，散熱要求不同，需要通過框架來安裝定位并冷卻。因此，天線艙框架應保持足夠的剛度與精度。

圖1 天線艙框架安裝示意圖

1 天線艙框架工藝方案的制定

天線艙框架主體材料選用強度高、抗蝕性好的鋁合金材料。鋁合金的導熱性強、熱容量大、線脹系數大[2]，焊接變形較大。因此，控制天線艙框架焊接和加工的變形是天線艙框架工藝設計的重點。 某天線艙框架如圖2所示。該天線艙框架由鋁合金板材和型材焊接加工而成。框架截面呈等腰梯形，外形最大尺寸長約3 800 mm、寬約3 050 mm、高約3 200 mm。

圖2 天線艙框架結構示意圖(去除外蒙皮)

該天線艙框架由頂框、底框、左側面框架、右側面框架、T/R框架、面框架等6個部件組焊而成。天線艙框架外表面焊接有2 mm厚的鋁板蒙皮。該框架是前后陣面傾斜70°、兩側面傾斜2.3°的4面梯形結構形式。框架結構特點是尺寸較大，焊縫較多，且為連續焊縫。天線艙框架的加工后主要技術要求：(1)底面平面度0.04，天線陣面安裝面與底面的夾角70±15′，前后面平面度0.1，垂直度0.3；(2)T/R框架與底面的夾角70±30′，T/R框架內部安裝面之間的垂直度、平行度0.03等。

天線艙框架采用氬弧焊拼焊成形。拼焊的部件隨工裝一起焊接并熱處理去除應力，然后在總裝工裝的定位支撐下將4大部件拼焊在一起，蒙皮最后焊接，焊接后需要進行整體人工時效，去除焊接應力，最后加工各法蘭面，加工時由加工工裝支撐T/R框架，保證加工精度。該天線艙框架工藝流程如圖3所示。

圖3 天線艙框架工藝流程

2 天線艙框架的焊接工藝

天線艙框架整體尺寸大，結構比較復雜，前、后面板及左右側框的位置控制較難。底框采用槽鋁件等焊接，焊接部位多，焊接變形較大，其整體外形尺寸較難控制。焊接結構的焊縫必須完整連續、均勻，無焊穿、裂縫和氣孔等缺陷，焊縫以雙面角焊縫和坡口焊縫為主。為減小焊接變形，結構設計和施工工藝上都必須采用相應的措施，設計時盡量將焊縫對稱分布，利用對稱焊縫產生的相反變形來抵消零件的整體變形。在焊接工藝上采取如下措施：

(1) 焊接評定

根據CB/T 3748船用鋁合金焊接工藝評定要求進行。根據板材和型材厚度和焊接類型，同批次材料通過試件焊接進行工藝參數驗證，驗證后方可進行正式焊接。當因更換材料、厚度、焊絲牌號等情況發生變化時，應重新驗證焊接工藝參數。[3]試板厚度與可以適用的母材厚度對應關系如表1。試板按表2檢測，其結果如滿足技術要求則得出正式焊接工藝參數，如不滿足技術要求則調整預焊接工藝參數并重新評定，最終得出能滿足要求的焊接參數。

表1 試板厚度t與可適用的母材厚度對應關系表

表2 檢查項目與檢測內容表

(2) 焊接模擬仿真

針對焊縫較長容易產生較大變形的問題，采用專用軟件對框架總體焊接后的變形進行數值模擬計算，根據結果得出焊接變形的重點控制部位。

(3) 反向預補償

根據仿真結果和焊接經驗預測焊接變形量及方向，采用反變形法預置一定的變形補償量來抵消焊接后產生的變形，減小焊接變形量。

(4) 焊接順序

設計合理的裝配焊接順序，按照從中間向四周的原則施焊。為避免框架整體焊接應力過大，變形后難以矯正，焊接工藝設計時采用分部件組焊法，框架部件焊接后矯正并消除應力后再總體裝配焊接；焊接后采用退火去應力熱處理。

(5) 焊接工裝

設計框架的專用剛性約束工裝和夾具，保證焊接變形能得到有效控制，設計各部件工裝。圖4為側面框架裝焊工裝，部件焊接熱處理后加工部件連接處。各部件間用榫頭槽形式相互定位連接整體拼焊如圖5所示。整體拼焊時設計專門的定位工裝，實物如圖6所示。

圖4 側面框架裝焊工裝示意圖

圖5 框架整體拼焊示意圖

(6) 焊接操作

根據焊接評定試驗得出的焊接參數，制定焊接操作作業指導書。對于有雙面角焊縫和雙V型焊縫的位置，采用雙人對稱施焊。對不滿足要求的焊縫進行磨切后重新焊前清洗并按照規范補焊，直到滿足要求。

圖6 框架整體焊接熱處理工裝實物圖

3 天線艙框架的加工

天線艙框架頂部和內部有設計基準平臺，用于檢測水平度和標校時安放校驗儀器。選擇行程滿足要求的數控落地鏜銑床加工，整體框架檢查加工余量后進行粗加工，整體自然時效去除加工應力，時間不低于48 h。加工底面作為基準，設計專門的裝夾工裝(如圖7所示)，保證側面及T/R框架與底面的角度要求。框架各加工面設有工藝基準塊，便于各面加工時的校準。

圖7 天線艙框架加工示意圖

4 天線艙框架焊接加工難點及解決措施

天線艙框架加工難點在于控制整體焊接變形和加工應力變形。除設計了必要的工裝保證和相應的去應力措施外，框架的外蒙皮的焊接變形也是工藝重點考慮的。框架蒙皮的焊接直接影響整體密封性和美觀性。

側面框架部件如圖8所示。該部件為上下側開放設計，剛性差，焊接易變形。采用增加工藝筋的措施進行部件焊接，采用部件工裝夾緊壓平焊接后進行熱處理，并將蒙皮分塊施焊控制變形。

圖8 改進前后側面框架示意圖

加工的難點：T/R框架內腔結構剛性較差。對于加工過程中易出現難加工的顫刀現象，設計了內框剛性工裝，用于整體加工過程中加強框架結構剛性避免顫刀，保證T/R框架加工質量。

5 結束語

天線艙框架通過合理的部件拆分從控制部件焊接的變形開始，并利用整理工裝保證整理組焊的精度。兩側邊蒙皮焊接時預設工藝筋保證蒙皮焊接剛度來控制變形，同時通過合理的施焊工藝保證焊接的質量。加工時通過工裝保證T/R框架的剛性支撐，確保組件模塊在框架上的安裝精度，達到了設計的精度要求。該框架通過焊接加工驗證已轉入正式產品。