表面張力貯箱電子束焊接工藝研究

王英杰，楊衛(wèi)鵬

（西安航天發(fā)動機廠，陜西西安710100）

表面張力貯箱電子束焊接工藝研究

王英杰，楊衛(wèi)鵬

（西安航天發(fā)動機廠，陜西西安710100）

通過研究對接式和搭接式焊縫試板電子束流與焊縫熔深之間的關(guān)系、焊接順序與角變形高度之間的關(guān)系，得出了表面張力貯箱前（后）艙推進劑管理裝置上（下）組件電子束焊接工藝規(guī)范，即加速電壓為60 kV，焊接速度為500 mm/min，工作距離為300 mm，電子束流為6 mA，聚焦電流為2.11 A，電子束偏移量為0.1 mm的焊接工藝規(guī)范。采用該工藝規(guī)范焊接的表面張力貯箱前（后）艙推進劑管理裝置上（下）組件焊后和振動試驗后的泡破點實測值滿足設(shè)計要求。該表面張力貯箱已用于某型號上面級液體發(fā)動機。該發(fā)動機已通過了地面熱試車考核。

表面張力貯箱；推進劑管理裝置；電子束焊接

0 引言

表面張力貯箱性能優(yōu)越、可靠性高，廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動機和推力裝置之中，已經(jīng)成為軌姿控液體火箭發(fā)動機和推力裝置實用的主流貯箱。貯箱在液體火箭發(fā)動機和推力裝置中是用來存儲和管理推進劑的，其主要作用是：在一定的流量和加速度條件下，為發(fā)動機或推力裝置各個階段的工作供應(yīng)不夾氣的推進劑；防止、阻尼以及衰減推進劑的大幅晃動或其它有害運動；保持和穩(wěn)定貯箱內(nèi)推進劑的質(zhì)心位置，以防止發(fā)生過大偏移；在意外情況或再次加注推進劑時，確保貯箱不夾液排氣。表面張力貯箱的核心部件是安裝在貯箱殼體內(nèi)部的推進劑管理裝置，該裝置根據(jù)使用的毛細元件，分為篩網(wǎng)式、孔板式和網(wǎng)板組合式推進劑管理裝置。篩網(wǎng)式推進劑管理裝置采用編織的不銹鋼或純鈦篩網(wǎng)組件作為多孔毛細元件；孔板式推進劑管理裝置采用激光或電子束打孔的薄板組件作為多孔毛細元件；網(wǎng)板組合式推進劑管理裝置采用篩網(wǎng)和孔板組件作為多孔毛細元件。本文介紹的表面張力貯箱采用篩網(wǎng)式推進劑管理裝置，該裝置是通過電子束焊接成型的。

1 表面張力貯箱電子束焊接設(shè)計要求

電子束焊接具有能量密度高，熱輸入量小，能量易于控制等特點［1-5］，表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進劑管理裝置采用電子束焊接完成，焊接表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進劑管理裝置時，要求焊接變形量小，焊接精度高，焊接成型的篩網(wǎng)式推進劑管理裝置要求滿足設(shè)計技術(shù)要求。篩網(wǎng)式推進劑管理裝置的結(jié)構(gòu)示意簡圖見圖1，它由下壓板、下普通支板等構(gòu)成，材料為1Cr18Ni9Ti，圖中的粗黑線為電子束焊縫位置。表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進劑管理裝置組件通過振動試驗后泡破點值Δpcr≥5.6 kPa。

圖1 后艙管理裝置下組件結(jié)構(gòu)及電子束焊縫位置示意圖Fig.1 Diagram of lower assembly structure of rear cabins management device and its electron-beam seam position

2 電子束焊接原理與工藝試驗

2.1 電子束焊接原理

真空電子束焊接屬于高能量密度焊接方法，它是通過施加在電子束焊機的電子槍上的高電壓使陰極產(chǎn)生電子束，電子束經(jīng)聚焦、加速、磁偏轉(zhuǎn)后，形成電子束流，并發(fā)射到被焊接工件表面的焊縫位置處，電子束的動能隨即轉(zhuǎn)化為熱能，將被焊接工件的母材熔化，從而實現(xiàn)工件連接的焊接工藝技術(shù)。電子束焊接的能量密度高，穿透力強，熱影響區(qū)小，被焊工件的變形量?。浑娮邮附庸に噮?shù)易于控制，焊接的熱輸入量可精確控制；電子束焊接坡口結(jié)構(gòu)容易加工，焊接時無需填充金屬焊料，可用于精密、厚壁件焊接。真空電子束焊接的主要工藝參數(shù)有：加速電壓，電子束流，聚焦電流、焊接速度和工作距離等。在被焊材料一定的情況下，電子束焊接工藝參數(shù)主要依據(jù)被焊接工件材料的厚度來進行選擇，被焊接工件材料的厚度愈大，所要求的焊接熱輸入量愈大，焊接規(guī)范參數(shù)亦較大。加速電壓是真空電子束焊機電子槍中用來加速電子運動的陰極和陽極之間的電壓，在一般的電子束焊機中，加速電壓是固定不變的，它是根據(jù)電子束焊機電子槍的類型而選取某一固定數(shù)值；在相同的焊接功率（即相同的焊接熱輸入量）的情況下，不同的加速電壓，所得到的焊縫溶深和焊縫形貌是不同的，提高加速電壓可增加焊縫熔深，焊縫橫截面深寬比與加速電壓成正比；當(dāng)焊接較大厚度的工件、或者要求得到窄而平的焊縫、或者電子槍與工件間的距離較大時，可提高加速電壓。電子束流是由陰極發(fā)射而流向陽極的電子束電流，它與加速電壓一起決定著電子束的功率，電子束功率是指電子束在單位時間內(nèi)放出的能量，用加速電壓與電子束流的乘積表示；增加電子束流，焊縫熔深和焊縫熔寬均將會增加；在電子束焊接過程中，加速電壓基本保持不變，為滿足不同的焊接工藝要求，常常會調(diào)整電子束流。焊接速度和電子束功率是影響焊縫熔深、熔寬和被焊材料熔池行為（冷卻、凝固和焊縫熔合線形狀）的主要因素；增加焊接速度，將會使焊縫變窄，焊縫熔深減小。在電子束焊接過程中，相對于被焊接工件的表面而言，電子束的聚焦位置有上焦點、下焦點和表面焦點三種狀態(tài)，焦點位置對焊縫成形影響較大，焦點位置是依據(jù)被焊接工件的焊接速度、接頭間隙等因素來確定的，由此可確定電子束斑點大?。划?dāng)被焊接工件的厚度δ＞10 mm時，通常采用下焦點模式進行焊接（即焦點位置處于被焊接工件表面以下的位置處），此時，焦點處于焊縫熔深30%的位置處；當(dāng)被焊接的工件厚度δ＞50 mm時，通常亦采用下焦點模式進行焊接（即焦點位置處于被焊接工件表面以下的位置處），此時，焦點處于焊縫熔深50%～70%的位置處。被焊接工件表面至電子槍之間的工作距離是影響電子束聚焦程度的主要因素，工作距離較小時，電子束的壓縮比較大，電子束的班點直徑較小，從而增加了電子束功率密度；工作距離太小會使得過多的金屬蒸氣進入電子槍槍體，造成放電；在不影響電子槍穩(wěn)定工作的情況下，宜選用較小的工作距離［6］。要獲得表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進劑管理裝置組件電子束焊接工藝規(guī)范，需采用與產(chǎn)品厚度和材料一致的標(biāo)準(zhǔn)試板進行電子束焊接工藝試驗，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試板焊縫熔深的檢測結(jié)果，以確定準(zhǔn)確、合適的表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進劑管理裝置組件電子束焊接工藝規(guī)范。

2.2 電子束焊接工藝試驗

表面張力貯箱前（后）艙篩網(wǎng)式推進劑管理裝置上（下）組件焊縫分為對接式和搭接式焊縫，表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進劑管理裝置組件焊后和振動試驗后的泡破點值Δpcr≥5.6 kPa，為此，對接焊縫熔深h對接≥1 mm，搭接焊縫熔深h搭接≥0.8 mm。為了減少電子束焊接過程中的熱輸入量，在每個支板組件的邊緣通過銑切機加工，加工出了厚度h=0.5 mm，寬度l=1 mm的臺階。電子束焊接試驗的試板材料為不銹鋼1Cr18Ni9T，試板分為對接式焊縫試板和搭接式焊縫試板，對接式焊縫試板，是采用電阻點焊的方式將2件規(guī)格為 （200×100×0.5）mm的試板分別定位在1件規(guī)格為 （200×25×2）mm的試板上，對接間隙ε≤0.1 mm；搭接式焊縫試板是采用1件規(guī)格為 （200×100×0.5）mm的試板定位在1件規(guī)格為 （200×25×2）mm的試板上。根據(jù)電子束焊接理論和工程經(jīng)驗，采用表1所示的電子束焊接工藝參數(shù)、對接間隙和偏移量，其余電子束焊接工藝參數(shù)均相同，即加速電壓V=60 kV，焊接速度v=500 mm/min，工作距離L=300 mm，采用3組電子束焊接工藝參數(shù)焊接對接式焊縫試板1#～3#試板，采用4組電子束焊接工藝參數(shù)焊接搭接式焊縫試板7#～10#試板。焊接完成后，對各試板分別進行金相分析，并測量各試板焊縫的熔深，可得到圖2和圖3所示的對接式焊縫試板的焊縫熔深與電子束流之間的關(guān)系曲線和搭接式焊縫試板焊縫熔深與電子束流之間的關(guān)系曲線。

表1 對接式和搭接式焊縫試板電子束焊接工藝參數(shù)Tab.1 Electron-beam welding process parameters for butt and lapped seam specimens

圖2 對接式焊縫試板焊縫熔深與電子束流的關(guān)系曲線Fig.2 Electron beam current vs.weld penetration depth of butt seam specimen

對接式焊縫試板1#-～3#試板對接間隙為0，采用表面聚焦，即焦點位置與焊縫表面的距離為零，焊縫截面形貌一般為典型的釘子形，即符合高斯模型分布。由圖2可知，在電子束焊接其它工藝參數(shù)一定的情況下，對接式焊縫試板焊縫熔深與電子束流呈線性關(guān)系，即隨著電子束流增加，焊縫熔深亦增大。

圖3 搭接式焊縫熔深與電子束流的關(guān)系曲線Fig.3 Electron beam current vs.weld penetrationdepth of lapped seam specimen

由圖3可知，搭接式焊縫試板焊縫熔深與電子束流亦基本呈線性關(guān)系，隨著電子束流增大，焊縫熔深亦增大，與對接式焊縫試板焊縫熔深與電子束流的變化關(guān)系曲線基本一致。

綜上所述，分析可知，對接式焊縫和搭接式焊縫試板焊縫熔深均隨電子束流的增大而增大，且搭接式焊縫試板焊縫熔深還與偏移量有關(guān)。

2.3 篩網(wǎng)泡破點

當(dāng)采用篩網(wǎng)作為表面張力貯箱推進劑管理裝置的毛細元件時，篩網(wǎng)所能維持的最大靜壓力即為篩網(wǎng)的泡破點值Δpcr，也就是氣體穿過篩網(wǎng)時所需的壓差，其關(guān)系式見公式1：

式中：DBP為篩網(wǎng)的有效孔徑，mm；Δpcr為篩網(wǎng)的泡破點值，kPa；σ為工作介質(zhì)的表面張力，N。

由公式1可知，篩網(wǎng)泡破點值理論上與工作介質(zhì)的表面張力和篩網(wǎng)的有效孔徑有關(guān)，在工作介質(zhì)一定的情況下，控制電子束焊接過程中篩網(wǎng)孔徑的變化是確保電子束焊接后篩網(wǎng)泡破點值滿足設(shè)計技術(shù)要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［7-10］。

3 電子束焊接工藝

表面張力貯箱前（后） 艙推進劑管理裝置上（下）組件電子束焊接主要包括電阻點焊定位、裝夾、安裝工裝，電子束焊接，篩網(wǎng)泡破點檢測等工序，其工藝流程框圖見圖4。根據(jù)電子束焊接工藝試驗結(jié)果得出的焊接工藝規(guī)范見表2。

圖4 表面張力貯箱前（后）艙推進劑管理裝置上（下）組件電子束焊接流程框圖Fig.4 Flow chart of electron-beam welding for propellant management device upper（lower）assemblies of surface tension tank forward（rear）cabins

表2 電子束焊接工藝規(guī)范Tab.2 Specifications of electron-beam welding process

表面張力貯箱前（后）艙推進劑管理裝置上（下）組件電子束焊接時，首先采用DZ-100-2型電阻點焊機，點焊規(guī)范為：檔位5，熱量40%，焊接時間 （周波）5，壓力0.12 MPa，電極直徑Ф2；

點焊定位支板組件，點焊定位表面張力貯箱前（后）艙推進劑管理裝置下組件支板和下壓板。其次，電子束焊接對接式焊縫和搭接式焊縫試板，驗證電子束焊接工藝規(guī)范，同時對篩網(wǎng)采取保護措施，以防止金屬蒸氣附著于篩網(wǎng)表面。次之，將表面張力貯箱前 （后）艙推進劑管理裝置上 （下）組件和電子束焊接專用工裝裝夾在一起，并將其安裝在GENOVA98型電子束焊機上，電子束焊機開始抽真空，當(dāng)電子束焊機真空度達到3×10-2Pa時，根據(jù)圖1所示的焊接位置編號，按照5→2→6→12→8→11→1→10→7→4→9→3的焊接順序，采用表2的電子束焊接工藝規(guī)范焊接表面張力貯箱前 （后）艙推進劑管理裝置上（下）組件。最后對表面張力貯箱前 （后）艙推進劑管理裝置上 （下）組件進行焊后泡破點檢測，對表面張力貯箱前 （后）艙推進劑管理裝置上（下）組件進行驗收量級和鑒定量級振動試驗后的泡破點檢測，表面張力貯箱推進劑管理裝置震動試驗原理簡圖 （圖5）。采用上述電子束焊接順序，即先焊接短邊焊縫，再焊接長邊焊縫，先焊接中間的焊縫，后焊接兩側(cè)的焊縫，由此可使各條焊縫的應(yīng)力相互作用，使得焊后角變形最小，焊后角變形最小高度Δ=4.5 mm，滿足表面張力貯箱設(shè)計技術(shù)要求。

圖5 表面張力貯箱推進劑管理裝置振動試驗原理簡圖Fig.5 Vibration test principle for propellant management device of surface tension tank

4 表面張力貯箱推進劑管理裝置泡破點檢測試驗

表面張力貯箱前 （后）艙推進劑管理裝置上（下）組件電子束焊接完成后，采用專用工裝裝夾表面張力貯箱前 （后）艙推進劑管理裝置上 （下）組件，并進行焊后以及驗收和鑒定量級振動試驗后的泡破點檢測試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 推進劑管理裝置焊后和振動試驗后泡破點值實測結(jié)果與設(shè)計要求值的對比表Tab.3 Comparison between measured values and required values of bubble breaking point of propellant management device after welding and after vibration test kPa

由表3可知，表面張力貯箱前 （后）艙推進劑管理裝置上 （下）組件焊后以及驗收和鑒定量級振動試驗后的泡破點值實測結(jié)果均大于設(shè)計要求值，由此說明：表面張力貯箱推進劑管理裝置電子束焊接工藝及其方法是合理和可行的，焊接工藝規(guī)范是合適和正確的。采用該工藝規(guī)范焊接的表面張力貯箱已應(yīng)用于某型號上面級液體火箭發(fā)動機之中，該發(fā)動機已通過地面熱試車考核。

5 結(jié)論

在研究對接式和搭接式焊縫試板電子束焊接工藝電子束流與焊縫熔深之間關(guān)系以及焊接順序與角變形量之間關(guān)系的基礎(chǔ)之上，得出了電子束焊接表面張力貯箱前（后）艙推進劑管理裝置上（下）組件的工藝規(guī)范，即加速電壓為60 kV，焊接速度為500 mm/min，工作距離為300 mm，電子束流為6 mA，聚焦電流為2.11 A，電子束偏移量為0.1 mm的焊接工藝規(guī)范。采用該工藝規(guī)范焊接的表面張力貯箱前（后）艙推進劑管理裝置上（下）組件焊后的驗收和鑒定量級振動試驗后的泡破點實測值滿足設(shè)計要求。由此說明：表面張力貯箱推進劑管理裝置電子束焊接工藝及其方法是合理可行的，焊接工藝規(guī)范是合適的、正確的。采用該工藝規(guī)范焊接的表面張力貯箱已用于某型號上面級液體發(fā)動機，該發(fā)動機已通過了地面熱試車考核。參考文獻：

［1］張秉剛，何景山，吳林.鉻青銅與雙相不銹鋼偏鋼電子束焊接頭組織及相構(gòu)成［J］.焊接學(xué)報，2005，26（11）：89-92.

［2］張航，孫通伯，于明玄.GH99鎳基合金薄板電子束焊接頭疲勞性能研究［J］.工程與試驗，2014，54（4）：26-35.

［3］曹建玲，韋貫舉，杜紅年.航天用濾網(wǎng)的真空電子束焊焊接工藝研究［J］.工藝與新技術(shù)，2012，41（5）：27-30.

［4］樊兆寶，周耀華，安紹孔，等.Ni18%和0Cr15Ni5Cu2Ti異種鋼材電子束焊接工藝試驗研究［J］.航空精密制造技術(shù)，2014，50（4）：38-41.

［5］萬里鵬，毛萍萍，任香會，等.30CrMnSiA鋼真空電子束焊縫顯微組織及力學(xué)性能研究［J］.南昌航空大學(xué)學(xué)報，2014，28（2）：74-78.

［6］李亞江，王娟.特種焊接技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

［7］郝貴欣，張華，董飛.表面張力貯箱泡破點盲測技術(shù)研究［J］.火箭推進，2012，38（5）：59-64. HAO Guixin，ZHANG Hua，DONG Fei.Blind test technology for bubble break point of surface tension tank［J］. Journal of rocket propulsion，2012，38（5）：59-64.

［8］陳志堅，孟慶平，李建.表面張力貯箱推進劑管理裝置流阻的計算［J］.上海航天，2001，（5）：23-32.

［9］穆小強，陳祖奎.豎管-葉片式表面張力管理裝置的設(shè)計與分析［J］.火箭推進，2013，39（1）：15-28. MU Xiaoqiang，CHEN Zukui.Design and analysis for standpipe and its vane surface tension management device［J］.Journal of rocket propulsion，2013，39（1）：15-28.

［10］盛敬超.液壓流體力學(xué) ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1980.

（編輯：王建喜）

Research on electron-beam welding of surface tension tank

WANG Yingjie，YANG Weipeng
（Xi'an Space Engine Factory，Xi'an 710100，China）

The electron-beam welding process specifications of propellant management device upper（lower）assemblies of surface tension tank forward（rear）cabins were deduced by the study of electron beam current vs.weld penetration depth and welding sequence vs.angular distortion height of butt and lapped seam specimens，which are 60 kV acceleration voltage，500 mm/min welding speed，300 mm working distance，6 mA electron beam current，2.11 A focusing current and 0.1 mm electron beam deviation.The measured bubble breaking point values of upper（lower）assemblies after welding and after vibration test meet the design requirements of surface tension tank forward（rear）cabins welded with the above specifications.The surface tension tank has been applied to upper-stage liquid rocket engine and successfullydemonstrated in ground hot firingtests.

surface tension tank；propellant management device；electron-beam welding

V434-34

A

1672-9374（2016）05-0082-06

2016-02-18；

2016-06-16

中國航天科技集團重大工藝專項資助項目（ZDGY2013-19）

王英杰（1986—），男，碩士，研究領(lǐng)域為電子束焊及其它熔焊技術(shù)