大厚度比窄焊縫不銹鋼薄板縫焊工藝研究

武紹旺

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西西安710100）

大厚度比窄焊縫不銹鋼薄板縫焊工藝研究

武紹旺

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西西安710100）

采用電阻縫焊方法對(duì)航天推進(jìn)劑貯箱用 0.086 mm厚不銹鋼網(wǎng)片（022Cr17Ni12Mo2）和1 mm厚不銹鋼支板（1Cr18Ni9Ti）進(jìn)行搭接縫焊工藝試驗(yàn)，通過(guò)控制不銹鋼支板變形量和網(wǎng)片變形張力，檢查焊縫外觀質(zhì)量、密封性和內(nèi)部質(zhì)量，解決了接頭組合材料厚度比大于10：1和焊縫寬度1～1.2 mm的不銹鋼薄板縫焊難題。研究結(jié)果表明，采用合適工藝參數(shù)可以避免縫焊過(guò)程焊縫成型不良等問(wèn)題，保證了焊縫密封性；采用專用工裝對(duì)縫焊過(guò)程不銹鋼支板變形進(jìn)行控制和焊后校形處理，可有效控制不銹鋼薄板焊接變形；通過(guò)縫焊過(guò)程網(wǎng)片表面張力的調(diào)節(jié)，達(dá)到了控制網(wǎng)片性能的目的。

電阻縫焊；不銹鋼網(wǎng)片；不銹鋼支板

0 引言

航天推進(jìn)劑貯箱是用來(lái)存儲(chǔ)和管理推進(jìn)劑的部件。表面張力型推進(jìn)劑貯箱以其顯著的性能優(yōu)勢(shì)和高可靠性被廣泛用于各類衛(wèi)星上，其核心部分是推進(jìn)劑管理裝置，使用了眾多毛細(xì)不銹鋼網(wǎng)片組件，利用液體在網(wǎng)片上的表面張力對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行管理。毛細(xì)組件在制造中經(jīng)常出現(xiàn)焊接缺陷，并導(dǎo)致焊接接頭通常在包括驗(yàn)證試驗(yàn)在內(nèi)的使用過(guò)程中暴露失效，為目前航天推進(jìn)劑貯箱制造亟待解決的一項(xiàng)重要技術(shù)問(wèn)題[1-3]。

電阻縫焊作為一種高效和易于控制的焊接方法，廣泛應(yīng)用于金屬薄板的焊接[4]。電阻縫焊的熱量集中、加熱時(shí)間短、焊接變形小、冶金過(guò)程簡(jiǎn)單，一般不需要填充材料及熔劑，也不需要保護(hù)氣體。其設(shè)備能為每個(gè)焊點(diǎn)提供大致相等的加熱電流，產(chǎn)生大小均勻、相鄰重疊的熔核。均勻平整的搭接焊縫保證了薄板的連接強(qiáng)度，嚴(yán)密連續(xù)的焊縫不用密封材料和密封處理，焊縫的強(qiáng)度及密封性也均較好，特別適合于薄板的密封焊接。航空航天用產(chǎn)品的電阻縫焊工藝性研究，充分發(fā)揮了電阻縫焊優(yōu)勢(shì)，加快了其在其他工業(yè)領(lǐng)域的普及應(yīng)用[5-6]。

本文運(yùn)用理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過(guò)對(duì)航天不銹鋼推進(jìn)劑貯箱用0.086 mm厚不銹鋼網(wǎng)片和1 mm厚不銹鋼支板的電阻縫焊工藝性研究，解決了接頭組合材料厚度比大于10：1和焊縫寬度1～1.2 mm縫焊難題，保證了支板組件在無(wú)水乙醇中密封性能檢查泡破點(diǎn)值大于6 000 Pa的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了大厚度比窄焊縫支板組件的電阻縫焊的可靠連接。

1 焊接結(jié)構(gòu)及焊接性分析

航天用不銹鋼推進(jìn)劑貯箱核心部分是推進(jìn)劑管理裝置，它由支板組件電子束焊接而成。支板組件由不銹鋼網(wǎng)片與支板縫焊組成，支板如圖1（a）所示。

不銹鋼支板內(nèi)型面圓弧半徑R為367 mm、角度19.02°，其縫焊結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。厚度1 mm不銹鋼支板自身剛度小，電阻縫焊焊接時(shí)變形較大，影響支板本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、制造精度和使用性能。為形成一定型面的密封性焊縫，需用工裝焊前進(jìn)行裝卡定位、壓緊，防止焊接變形和不銹鋼網(wǎng)壓傷、劃傷。不銹鋼網(wǎng)片厚度0.086 mm，由不同直徑金屬絲縱橫交錯(cuò)編織而成，結(jié)構(gòu)型式如圖1中（c）所示。

圖1 支板組件組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of support plate components

推進(jìn)劑貯箱支板組件用不銹鋼網(wǎng)片和不銹鋼支板同屬奧氏體型不銹鋼。相對(duì)其他鋼種，其電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率均較低，高溫強(qiáng)度高，熱敏感性強(qiáng)。對(duì)于接頭組合材料厚度比大于10：1，焊縫寬度1～1.2 mm的縫焊連接，縫焊時(shí)熱輸入量要求小，需準(zhǔn)確控制電極壓力、焊接速度、加熱時(shí)間和焊接電流，防止產(chǎn)生未熔合、燒穿、噴濺和過(guò)深壓痕等缺陷。不銹鋼縫焊輪應(yīng)選用硬度高且具有較高的再結(jié)晶軟化溫度的銅合金，以減少縫焊滾輪損耗和變形。因縫焊輪線膨脹系數(shù)比低碳鋼大，需采取工藝措施防止縫焊過(guò)程焊接變形量過(guò)大，保證縫焊前后支板弧度尺寸的穩(wěn)定性。不同厚度材料縫焊時(shí)，熔核會(huì)向厚板側(cè)偏移。厚度差較大時(shí)，為糾正熔核偏移，在薄板一側(cè)采用導(dǎo)電性較差的銅合金做電極，或電極焊輪寬度和直徑做的小些，來(lái)減少散熱，提高焊接熱效率。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

推進(jìn)劑貯箱用支板組件由 0.086 mm厚022Cr17Ni12Mo2不銹鋼網(wǎng)片與1mm厚1Cr18Ni9Ti不銹鋼支板組成，網(wǎng)片化學(xué)成份如表1所示。

推進(jìn)劑貯箱用不銹鋼網(wǎng)片規(guī)格為325 mm× 2 300 mm×0.086 mm，橫縱兩向25.4 mm的長(zhǎng)度上分別有2 300根和325根金屬絲，橫向緯絲直經(jīng)為0.025 mm，縱向經(jīng)絲直經(jīng)為0.036 mm。不銹鋼網(wǎng)片經(jīng)向絲拉斷力值≥195 N，緯向拉斷力值≥450 N，經(jīng)向絲斷后伸長(zhǎng)率≥2%，緯向絲斷后伸長(zhǎng)率≥5%。

推進(jìn)劑貯箱用不銹鋼網(wǎng)片和不銹鋼支板縫焊，采用FM-40臺(tái)式三向交流變直流縫焊機(jī)，控制系統(tǒng)采用Med Weld 5000微機(jī)控制箱，并通過(guò)Wed Weld 5000控制器來(lái)精確調(diào)控和記錄焊接電流。焊接速度8～50 mm/min，最大工作壓力1 500 N，次級(jí)空載電壓4.31～8.62 V。縫焊輪材料為鈹鈷銅，直徑D為150 mm，下電極寬度B1為9.9 mm，上電極寬度B2為7 mm，電極接觸表面為圓柱面雙側(cè)倒角型，平面寬度b為1.0 mm，采用隨焊水冷 (TWC)對(duì)焊縫輪內(nèi)部進(jìn)行冷卻。

表1 022Cr17Ni12Mo2不銹鋼網(wǎng)片化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of 022Cr17Ni12Mo2 stainless steel net %

支板加工、校形處理后，為了控制回彈，對(duì)支板熱定型處理，消除成形應(yīng)力，穩(wěn)定成形尺寸。要求支板弧面與標(biāo)準(zhǔn)樣板的間隙不大于0.3 mm。電阻縫焊前為減小支板表面質(zhì)量對(duì)篩網(wǎng)性能的影響，保持支板筋R0.4 mm圓滑過(guò)渡銳邊，化學(xué)清洗去除表面油污，以提高支板表面光潔度。網(wǎng)片剪裁后化學(xué)清洗去除表面油污，再用酒精清洗、真空烘干。

圖2 工裝和縫焊電極結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of welding jig and electrode

支板組件電阻縫焊時(shí)的裝卡、定位和壓緊工藝裝備采用硬鋁制造，表面進(jìn)行硬氧陽(yáng)極化處理，電阻縫焊前用綢布蘸丙酮擦洗干凈工裝和縫焊輪，工裝和縫焊輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。每次焊前檢查、測(cè)量焊輪外圓尺寸，來(lái)保證縫焊縫寬度的一致性。

縫焊參數(shù)主要包括：焊接電流、焊接通電時(shí)間、電極壓力和焊接速度。焊接電流主要影響縫焊連接強(qiáng)度、壓痕深度和外觀成型。焊接電流過(guò)大，容易引起金屬過(guò)熱、噴濺和壓痕過(guò)深等缺陷。焊接電流過(guò)小，易形成未熔合。焊接通電時(shí)間通常稱為焊接時(shí)間，主要影響縫焊壓痕深度和外觀成型（燒穿、未熔合等）。為了獲得窄型密封性縫焊縫，通電時(shí)間應(yīng)縮短，休止時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)。電極壓力保證了支板和網(wǎng)片貼合面的緊密接觸，影響成型時(shí)的噴濺和壓痕深度。電極壓力過(guò)大時(shí)將導(dǎo)致縫焊焊縫壓痕過(guò)深，加速電極變形和損耗。電極壓力過(guò)小時(shí)焊縫表面容易產(chǎn)生噴濺，接觸電阻過(guò)大易使電極燒損。焊接速度決定了電極與焊接部位的接觸時(shí)間，影響焊接接頭的加熱和散熱。電阻縫焊最重要的是要保證焊后氣密性良好，影響電阻縫焊氣密性的關(guān)鍵因素是焊接速度[7]。焊接速度增大時(shí)，為了獲得足夠的熱量，必須增大焊接電流，過(guò)大的焊接速度，會(huì)引起產(chǎn)品燒損和電極粘附。為了獲得窄型密封性縫焊縫，焊接速度應(yīng)盡量小，可避免噴濺，保證焊縫成型質(zhì)量。支板組件縫焊時(shí)采用試驗(yàn)件確認(rèn)優(yōu)化的工藝參數(shù)，電阻縫焊工藝參數(shù)如表2所示。

表2 電阻縫焊工藝參數(shù)Tab.2 Parameters of resistance seam welding

支板組件縫焊采用搭接接頭形式，搭接量為6.5 mm。選擇熱輸入量小的焊接規(guī)范參數(shù)和裝配焊接順序，會(huì)使焊后應(yīng)力、變形和縫焊缺陷減少，從而使縫焊后篩網(wǎng)部件密封性得到有效控制?？p焊前為防止縫焊過(guò)程不銹鋼網(wǎng)相對(duì)不銹鋼板運(yùn)動(dòng)（會(huì)使不銹鋼網(wǎng)片出現(xiàn)撕裂、壓傷和褶皺，影響焊接質(zhì)量），采用電阻點(diǎn)焊將篩網(wǎng)邊緣固定在支板上。在電阻點(diǎn)焊前用工裝墊于篩網(wǎng)和支板間，調(diào)節(jié)篩網(wǎng)張力，使焊接時(shí)篩網(wǎng)處于自由張力狀態(tài)，保證篩網(wǎng)縫焊后不會(huì)出現(xiàn)褶皺缺陷?？p焊時(shí)采用分布在焊縫兩側(cè)的固定支板式的壓緊工裝來(lái)減少支板變形。工裝材料導(dǎo)熱性比產(chǎn)品好，可以減少焊縫附近焊接時(shí)所受熱量。采用對(duì)稱焊接縫焊縫，來(lái)控制焊接變形量，從而減少焊接變形?？p焊后采用機(jī)械校正法使支板產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，使兩者變形相互抵消，達(dá)到消除或減少焊接變形的目的。

支板組件縫焊后，先進(jìn)行10倍放大鏡宏觀檢查，再將其放入無(wú)水乙醇介質(zhì)中進(jìn)行密封性氣密試驗(yàn)檢查，不銹鋼網(wǎng)片泡破點(diǎn)值需大于6 500 Pa。選取典型試驗(yàn)樣件進(jìn)行焊縫X光質(zhì)量檢查，沿縫焊位置線切割，再經(jīng)鑲嵌、粗磨、精磨和拋光之后制成金相樣品，用MEF4M光學(xué)顯微鏡進(jìn)行縫焊內(nèi)部組織觀察。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 宏觀形貌

支板組件縫焊后，先進(jìn)行10倍放大鏡宏觀檢查，如圖3所示，縫焊接頭表面質(zhì)量、支板弧面與標(biāo)準(zhǔn)樣板間隙、內(nèi)型弧半徑和角度均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 縫焊后支板組件宏觀圖Fig.3 Macro-morphology of support plate appearance after resistance seam welding

3.2 無(wú)損檢測(cè)

電阻縫焊支板組件縫焊接頭局部X射線檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。初期2條縫焊縫相接處附近縫焊核中心均有縮孔出現(xiàn)，后通過(guò)適當(dāng)增大縫焊電極壓力和降低焊接速度，2條縫焊縫相接處附近的縮孔現(xiàn)象最終消除。采用合適的工藝參數(shù)進(jìn)行縫焊，可以避免兩縫焊縫相交處焊縫內(nèi)部存在縮孔的問(wèn)題。

圖4 支板組件縫焊接頭局部X檢查圖Fig.4 X-ray detection picture of welded joint of support plate

3.3 微觀組織分析

線切割支板組件縫焊接頭局部焊縫，金相檢查，焊點(diǎn)熔核內(nèi)無(wú)縮孔、裂紋、夾雜等內(nèi)部缺陷，縱向焊縫如圖5所示，熔核直徑3.1 mm，熔核寬度1.1 mm，不銹鋼板一側(cè)焊縫處表面壓痕深度為0.05 mm。

圖5 縱剖切內(nèi)部焊核圖Fig.5 Weld centre in longitudinal cross-section

航天推進(jìn)劑貯箱用支板組件0.086 mm厚不銹鋼網(wǎng)片和1 mm厚不銹鋼支板搭接縫焊工藝試驗(yàn)表明：用合適的工藝參數(shù)縫焊可以避免縫焊過(guò)程噴濺、氧化色、過(guò)深壓痕、焊縫接合不好等問(wèn)題。焊后機(jī)械校形處理，可克服縫焊后奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)變形大、不易控制的難題，保證縫焊后的支板組件密封性，提高了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)貯箱制造工藝水平。

4 結(jié)論

通過(guò)開展表面張力貯箱用不銹鋼網(wǎng)片與支板的電阻縫焊的工藝研究，分析了焊接結(jié)構(gòu)和焊接性，采用合理的電阻縫焊工藝參數(shù)，成功焊接了支板組件，滿足了表而張力貯箱的設(shè)計(jì)要求。主要結(jié)論如下：

1）獲得了1 mm厚不銹鋼支板電阻縫焊變形的有效控制方法。通過(guò)電阻縫焊前不銹鋼支板機(jī)械變形校正、熱定型處理，焊接時(shí)工裝對(duì)不銹鋼支板的裝夾和固定，并調(diào)整焊接過(guò)程縫焊順序，增加焊后壓板校形處理，使支板組件用不銹鋼支板的焊接變形得到有效控制。

2）獲得了0.086 mm厚不銹鋼網(wǎng)片縫焊過(guò)程張力控制工藝方法?？p焊前先用電阻點(diǎn)焊方法沿焊縫接頭處點(diǎn)焊固定網(wǎng)片于支板上，定位前先在網(wǎng)片與支板間墊上工裝，控制篩網(wǎng)變形張力，達(dá)到對(duì)不銹鋼網(wǎng)片縫焊過(guò)程性能的控制。

3） 實(shí)現(xiàn)了航天貯箱用支板組件大厚度比窄焊縫縫焊連接。通過(guò)開展 0.086 mm 厚022Cr17Ni12Mo2不 銹 鋼 網(wǎng) 片 和 1mm 厚1Cr18Ni9Ti不銹鋼支板搭接縫焊試驗(yàn)，合適的工藝參數(shù)施焊，可以得到性能良好焊縫寬度1～1.2 mm的支板組件。

[1]李永,潘海林,魏延明.第二代表面張力貯箱的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].宇航學(xué)報(bào),2007,28(2):503-507.

[2]張?zhí)炱?表面張力貯箱推進(jìn)劑管理裝置設(shè)計(jì)進(jìn)展[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2000(5):36-42.

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

[4]周麗丹,張婷婷,王志斌,等.443鐵素體不銹鋼電阻縫焊接頭的組織與性能[J].機(jī)械工程材料,2013,37(3):42-46.

[5]吳家云.0Cr15Ni5Cu2Ti不銹鋼電阻縫焊工藝[J].航空制造技術(shù),2003(11):51-54.

[6]李仕民,楊尚磊,樓松年.航天貯箱用不銹鋼網(wǎng)與鈦合金板電阻縫焊技術(shù)研究[J].焊接技術(shù),2005,34(5):26-28.

[7]姜俊.電容儲(chǔ)能縫焊控制系統(tǒng)的研究[D].南昌:南昌航空大學(xué),2012.

（編輯：馬 杰）

Research on big thickness ratio and narrow weld width seam welding craft for thin sheet stainless steel

WU Shaowang
（Xi’an Space Engine Factory,Xi’an 710100,China）

Theresistanceseamweldingmethodisusedtoconductatestofthelapjointof0.086mm thickness stainless steel net and 1 mm thickness stainless steel support plate for space propellant tank. In order to solve the welding stainless steel problem of thickness ratio 10:1 and weld width 1～1.2 mm, a method of controlling the stainless steel sheet deformation and the stainless steel net tension,and checking the appearance quality,sealing property and internal quality of welded joint is adopted.The results demonstrate that the suitable welding parameters can avoid the poor weld joint shape in welding process and ensure a good sealing performance of weld joint,the stainless steel sheet deformation can be effectively controlled by using special fixture and postweld orthopaedic treatment,and a perfect stainless steel net performance can be achieved by adjusting the surface tension of stainless steel net in the weld process.

resistance seam welding;stainless steel net;stainless steel sheet

V261-34

A

1672-9374(2017)02-0077-05

2016-06-16；

2016-11-17

武紹旺（1985—），男，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)楹附庸に囇芯?/p>