姿軌控系統(tǒng)高壓氣路全焊接結(jié)構(gòu)可行性研究

孫維平 張宇軒 何康康

?

姿軌控系統(tǒng)高壓氣路全焊接結(jié)構(gòu)可行性研究

孫維平 張宇軒 何康康

（北京航天動力研究所，北京 100076）

為了實現(xiàn)液體姿軌控動力系統(tǒng)的長期貯存，針對高壓氣路全焊接結(jié)構(gòu)開展了可行性研究。分析了高壓氣路系統(tǒng)全焊接結(jié)構(gòu)形式所需異種金屬焊接、全位置焊接、總裝裝配工藝等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行，并通過各類樣件的試制驗證了實現(xiàn)高壓氣路全焊接結(jié)構(gòu)的可行性。

長期貯存；高壓管路；異種金屬；全位置焊接

1 引言

姿軌控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于航天飛機(jī)、衛(wèi)星、飛船等，主要為航天器提供軌道機(jī)動的動力，同時為其姿態(tài)穩(wěn)定提供俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)控制力。典型的姿軌控動力系統(tǒng)采用氣體擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)，高壓氣路主要由氣瓶、導(dǎo)管、多通、充氣閥、電爆閥、高壓傳感器及相關(guān)支架等組成。氣瓶內(nèi)的高壓氣體作為氣體擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)正常工作的源動力，必須確保其在長期貯存期間能夠可靠密封。圖1給出了某典型動力系統(tǒng)高壓氣路連接示意圖。隨著姿軌控動力系統(tǒng)小型、輕質(zhì)化要求的不斷提升，需要不斷提升氣瓶內(nèi)增壓氣體的壓力并縮小密封結(jié)構(gòu)的尺寸和質(zhì)量。針對上述問題進(jìn)行了姿軌控動力系統(tǒng)高壓氣路全焊接結(jié)構(gòu)可行性的研究。

圖1 某型號動力系統(tǒng)高壓氣路連接示意圖

2 全焊接結(jié)構(gòu)必要性分析

目前姿軌控系統(tǒng)高壓氣路環(huán)管與環(huán)管、環(huán)管與組合件間廣泛應(yīng)用著球頭-錐面連接的螺接密封結(jié)構(gòu)，具有便于裝配和可拆卸[1，2]的優(yōu)點(diǎn)。該密封方式通常在保證接觸面加工質(zhì)量的前提下，通過增大擰緊力矩獲取較大密封面寬度和平均接觸應(yīng)力，從而達(dá)到降低最終漏率的效果，主要存在以下兩方面的局限性。

a. 在管徑較小的情況下，球頭強(qiáng)度不足以支持較大力矩的存在，密封效果受到影響。例如在姿軌控系統(tǒng)中使用的某些小尺寸的球頭所能施加的力矩小于10N·m，而高壓氣瓶內(nèi)的氣體壓力達(dá)到60MPa，根據(jù)文獻(xiàn)[3]中泄漏氣體的計算模型得到氣瓶內(nèi)高壓氦氣的泄漏率超過10-4Pa·m3·s-1，不能滿足氣密性要求。

b. 由于應(yīng)力松弛的原因，球頭-錐面密封的漏率會隨著時間呈現(xiàn)增大的趨勢，直至達(dá)到穩(wěn)定值。文獻(xiàn)[4，5]中通過檢測2種不同內(nèi)壓工況下的漏率，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品漏率分別達(dá)到了初始漏率的10倍和16倍。因此，需要對具有該種密封結(jié)構(gòu)的航天產(chǎn)品定期檢測漏率，保證產(chǎn)品符合要求。

3 全焊接結(jié)構(gòu)可行性分析

高壓氣路管路連接方式由球頭-錐面的螺接方式更改為全焊接方式，能明顯提升高壓氣路的密封可靠性。要實現(xiàn)高壓氣路的全焊接結(jié)構(gòu)，需要實現(xiàn)焊接工藝的突破并進(jìn)行裝配工藝性的調(diào)整。

3.1 異種金屬焊接

為監(jiān)測高壓氣路系統(tǒng)中的高壓氣體壓力，系統(tǒng)中需配套遙測高壓傳感器。高壓傳感器一般為薄膜濺射應(yīng)變式壓力傳感器，采用17-4PH特種彈性不銹鋼作為其核心的壓力敏感元件，通過焊接的形式與壓力接頭（材料為316不銹鋼或1Cr18Ni9Ti不銹鋼[6]）連接。高壓氣路鈦合金管材與傳感器不銹鋼殼體之間存在熔點(diǎn)、線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率差異大和脆性相的生成問題等[7～10]，給高壓管路全焊接結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)帶來了一定的困難。此外，高壓氣路中電爆閥由于要具備瞬時切破功能，入口接管嘴處為脆性材料，采用常規(guī)工藝方法與鈦合金導(dǎo)材焊接時，焊縫嚴(yán)重塌陷不成形，無法滿足要求。采用釬焊技術(shù)實現(xiàn)了不銹鋼管材和鈦合金管材間的焊接，圖2中給出的焊接樣件，通過了120MPa壓力的強(qiáng)度檢測，滿足管路設(shè)計強(qiáng)度要求。

圖2 不銹鋼與鈦合金異種材料焊接件

3.2 封閉容腔導(dǎo)管焊接

導(dǎo)管的焊縫主要采取全位置自動焊方式焊接，在焊接過程中需流動氬氣對焊縫內(nèi)外表面同時進(jìn)行保護(hù)，防止焊縫處金屬材料在通電融化時被氧化而導(dǎo)致焊縫內(nèi)出現(xiàn)氣孔雜質(zhì)等有害物，提高焊縫質(zhì)量，導(dǎo)管焊接示意圖見圖3。

圖3 導(dǎo)管全位置焊接示意圖

圖4 高壓氣路系統(tǒng)全焊接示意圖

高壓氣路全焊接結(jié)構(gòu)示意圖見圖4，圖中6處箭頭所示焊縫，由于氣瓶、電爆閥、高壓傳感器屬于容腔封閉性組合件，即在焊接這些組合件入口處焊縫時，無法對焊縫內(nèi)表面進(jìn)行持續(xù)性流動氬氣保護(hù)。為在現(xiàn)有焊接設(shè)備條件下實現(xiàn)封閉容腔導(dǎo)管焊接，經(jīng)過工藝研究和樣件試制，采用增加工藝孔方案解決流動氬氣保護(hù)的問題，即在封閉容腔前進(jìn)行導(dǎo)管焊接時，在焊縫下游打一個帶坡度的工藝小孔，利用此孔在導(dǎo)管全位置焊接時導(dǎo)出氬氣，確保焊接時焊縫有持續(xù)流動氬氣保護(hù)，全位置焊接完成后對工藝小孔進(jìn)行堵焊[11，12]。經(jīng)X光檢查為Ⅰ級焊縫，成品率高，具備工程化使用條件。在樣件試制過程中，對下游打孔位置、孔大小、孔坡度、氬氣壓力及其相對應(yīng)的焊接工藝參數(shù)匹配性開展了研究，掌握了規(guī)律，同時完成了工藝小孔封堵焊工藝參數(shù)的確定。該方案焊接樣件試制后經(jīng)過2倍工作壓力液壓強(qiáng)度試驗未見泄漏，圖5為工藝小孔堵焊前后實物圖。圖6為堵焊焊縫金相圖，晶體組織較為均勻細(xì)小，沒有異常長大的晶粒，對材料機(jī)械性能無影響，未見裂紋、氣孔等焊縫缺陷。

圖5 工藝孔堵焊試制樣件

圖6 堵焊焊縫金相圖

3.3 焊接裝配工藝

高壓氣路系統(tǒng)采用全焊接方式后，各組合件和導(dǎo)管成為有機(jī)整體，對操作工藝性帶來影響。通常的工藝流程是將各類組部件固定連接后進(jìn)行導(dǎo)管彎制，然后進(jìn)行裝配，操作便利，導(dǎo)管焊縫檢查出缺陷只需更換導(dǎo)管重新焊接即可。而采用全焊接方案，導(dǎo)管與組部件已焊接成一體，不同組部件焊接時會相互影響，在焊接時需對焊接順序進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，避免工序不當(dāng)造成無法安裝操作的問題。在高壓氣路全焊接結(jié)構(gòu)樣件制作過程中，由于部分組合件焊接后導(dǎo)致后續(xù)焊接操作空間局促，焊鉗需深入高壓氣路系統(tǒng)內(nèi)部狹小空間焊接，為此制作了手動機(jī)械臂裝置作為焊接裝卡工裝，如圖7所示。

圖7 高壓氣路系統(tǒng)裝配焊接工裝

圖7中所示高壓氣路部分環(huán)管焊縫共18處，容易因1處焊縫質(zhì)量未滿足Ⅰ級焊縫要求而導(dǎo)致整個高壓氣路整體管路報廢。為減少因焊縫合格率而造成報廢問題，氣瓶等組合件設(shè)計時在空間允許的范圍內(nèi)將氣瓶焊接段直管適當(dāng)加長，允許一次焊接失敗后允去除焊縫及其周邊熱影響區(qū)，重新進(jìn)行二次焊接。

4 結(jié)束語

針對氣體擠壓式液體姿軌控系統(tǒng)高壓氣體長期貯存適應(yīng)性，提出高壓氣路系統(tǒng)全焊接結(jié)構(gòu)方案并做了詳細(xì)闡述，異種金屬焊接和密閉容腔導(dǎo)管焊接技術(shù)的應(yīng)用是實現(xiàn)姿軌控系統(tǒng)全焊接結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。通過裝配專用工裝設(shè)計、焊接樣件的試制表明高壓氣路全焊接結(jié)構(gòu)方案具備工程化研制基礎(chǔ)，能夠滿足動力系統(tǒng)的研制要求。同時對其它類似系統(tǒng)的研制提供一定借鑒意義。

1 周鑫，龐賀偉，閆少光，等. 球頭-錐面連接結(jié)構(gòu)非線性接觸分析[J]. 航天環(huán)境工程，2005，22(4)：211～214

2 李曉麗，王勇，劉勝，等. 衛(wèi)星推進(jìn)分系統(tǒng)發(fā)動機(jī)螺接頭漏率變化規(guī)律試驗研究[J]. 航天環(huán)境工程，2014，31(6)：646～650

3 周鑫，龐賀偉，劉宏陽. 球面密封結(jié)構(gòu)的漏率預(yù)估[J]. 宇航學(xué)報，2007，28(3)：762～766

4 韓沖，張勇. 導(dǎo)管連接件球頭-錐面結(jié)構(gòu)密封性能研究[J]. 潤滑與密封，2012，37(10)：105～111

5 王勇，閆榮鑫. 應(yīng)力松弛對球頭密封結(jié)構(gòu)漏率影響的分析[J]. 航天環(huán)境工程，2009，26(5)：455～457

6 朱大治. 濺射薄膜壓力傳感器研制及應(yīng)用[C]. 第九屆全國敏感元件與傳感器學(xué)術(shù)會議. 2005

7 程挺宇，鄭鋒，薛為林. 鈦-不銹鋼異種金屬焊接技術(shù)[J]. 稀有金屬與硬質(zhì)合金，2009，37(2)：63～64

8 邵冰，吳怡，張震. 不銹鋼、鈦合金導(dǎo)管高頻釬焊工藝方法的改進(jìn)[J]. 飛機(jī)設(shè)計，2013，33(6)：76～80

9 張鵬賢，李慧芳. 鈦/鋼異種金屬感應(yīng)釬焊料及其工藝性能的研究[J]. 熱加工工藝，2013，42(11)：212～217

10 楊忠波. 鈦合金/不銹鋼電子束釬焊界面組織及接頭性能研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013

11 黃本生，黃龍鵬，李慧. 異種金屬焊接研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 材料導(dǎo)報，2011，25(12)：118～121

12 黃哲云，丁國忠，馬俊. 鈦合金導(dǎo)管的全位置氬弧焊工藝[J]. 上海航天，1999 (6)：56～60

Feasibility Research on Application of Fully-welded High-pressure Pipeline in Divert and Attitude Control System

Sun Weiping Zhang Yuxuan He Kangkang

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076)

In order to achieve the long-term storage of divert and attitude control propulsion system, the feasibility research on application of fully-welded high-pressure pipeline is presented in this paper. The technologies of dissimilar metals welding, all position welding and general assembly, which is necessary for the fully-welded structurein divert and attitude control system, are analyzed. And the relevant prototypes have been made to prove the feasibility.

long-term storage；high-pressure pipeline；dissimilar metals；all position welding

孫維平（1985-），博士，航空宇航推進(jìn)理論與工程專業(yè)；研究方向：空間推進(jìn)。

2017-03-13