大直径2A14铝合金压力容器椭圆形封头结构研究

田志杰　刘　娟　李聪颖　曹　娜　马丽翠　李　蕊

首都航天机械公司　北京　100076



大直径2A14铝合金压力容器椭圆形封头结构研究

田志杰*刘娟李聪颖曹娜马丽翠李蕊

首都航天机械公司北京100076

为了满足运载火箭减重需要及大直径2A14铝合金压力容器椭圆形封头等匹配结构设计，采用母材与焊缝分别设计的方式，在0.56MPa承载条件下，计算得到母材设计厚度为4.2mm，焊接区设计厚度为7.0mm。采用单侧减薄的加工工艺可获得符合要求的不等厚零件，焊缝加厚区的宽度不小于40mm。Φ3350mm直径铝合金封头结构采用8块分瓣、45°均分的形式，封头顶盖直径为Φ1400mm。

铝合金封头低匹配焊接

运载火箭贮箱是一种特殊的压力容器，随着我国航天工业的发展，对运载火箭贮箱的需求及安全性要求越来越高，而封头是压力容器的重要承压部件，对封头的成形精度要求也相应提高。在压力容器设计中，封头种类分为半球形、椭圆形、碟形、球冠形、锥形、平底形，其中椭圆形封头作为一种受力良好、结构特性优越的封头型式虽然被广泛采用[1,2]，但受力情况复杂[3-9]。封头加工工艺一般分为整体成形与分瓣成形，整体成形主要有冲压成形与旋压成形以及爆炸成形、气(液)压膨胀成形等，分瓣成形工艺指的是分瓣压制与拼焊成形[10-12]。

随着新材料的研发，封头的材料也多种多样[13-15]，现役型号运载火箭贮箱封头材质为2A14铝合金，该铝合金为Al-Cu-Mg-Si系析出强化型高强锻造铝合金。具有高强低塑特性，有应力腐蚀及晶间腐蚀倾向，可焊性较差，焊缝与热影响区容易产生过烧与裂纹，接头延伸率低。大直径铝合金封头分瓣压制、拼焊成形时，焊接结构的性能在整个封头的制造过程中显得尤为重要，设计时必须与工艺相结合。

焊接接头焊缝与母材的力学性能差异会导致焊接结构的强度失配[16-17]。2A14铝合金熔焊焊缝为低匹配结构，接头强度系数仅为0.6。为提高低匹配接头的承载能力，要以焊缝与母材承载能力相等为目标，进行低匹配对接接头的等强设计。

1　设计条件

1.1试验材料

试验板材为2A14铝合金，其化学成分列见表1[18]。材料力学性能见表2[19]。

表1　2A14母材化学成分

表2　2A14铝合金的力学性能

1.2封头设计要求

封头直径为Φ3350mm，椭圆长短轴比值为1.6，计算压力为0.56MPa，分瓣压制与拼焊成形。为达到运载火箭减重的目的，减少冗余重量。

依据文献1，设计温度为常温，材料许用应力：

[σ]t=430÷3=143 MPa

2　母材厚度计算及设计

2.1计算

封头母材计算厚度按照下式计算：

(1)

式中，K为椭圆形封头形状系数，由文献1查得，该值为0.76；pc为计算压力，MPa；δh为封头计算厚度，mm；Di为封头内径，mm； [σ]t温下材料许用应力，MPa；φ为焊接接头系数，双面两道焊接，100%无损检测，此值为1.0。

将各设计数据代入式(1)，可得：

当椭圆封头长短轴比值≤2时，其有效厚度不小于3350×0.15%,即5.025mm[1]。

2.2设计

依据文献1，设计厚度δdh为计算厚度δh与腐蚀裕量C2之和；名义厚度δnh为设计厚度δdh加上材料厚度负偏差C1后向上圆整至材料规格的厚度。依据运载火箭贮箱服役特点，贮箱充入推进剂燃料后，几十个小时内就会发射，故腐蚀裕量C2取0mm，5～6mm厚铝合金材料厚度负偏差0.32mm。此封头母材由厚板化铣减薄而成，化铣误差为0.2mm，受火箭减重需求，设计厚度δdh为5.6mm。

3　焊缝厚度计算

3.12A14铝合金焊接接头分析

热处理可强化铝合金接头的性能不如母材好，抗蚀性、强度及塑性也比母材低。焊接接头的薄弱环节可发生在三个部位：焊缝、熔合区、热影响区，见图1。焊缝的性能主要取决于焊丝的成分、焊接缺陷、熔合比以及成形系数；熔合区的主要问题是晶粒长大和过烧；热影响区的主要问题是退火软化和过时效。

图1　铝合金热处理强化合金焊接接头的组织

焊缝是焊接过程中接头处于熔化的状态部分；热影响区是焊接过程中母材因受热的影响，虽然未熔化但发生金相组织和机械性能变化的区域；熔合区是在焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。熔合区的温度处于固、液相线间，温度梯度大，金属处于部分熔化状态，晶粒粗大，化学成份和组织不均匀。冷却后的组织为过热组织，使该区塑性和韧性下降，性能恶化。成为焊接接头的薄弱地带。而且此处接头断面发生变化，引起应力集中，很大程度上决定着焊接接头的性能。在力学性能试验中，试片拉断的部位往往发生在这一区域。

3.22A14铝合金焊接接头特点

(1) 2A14铝合金焊后强度低，焊后热影响区软化明显。采用钨级氩弧焊焊接后，焊缝强度仅为基体金属强度的60%。由于贮箱结构尺寸大，不可能进行焊后热处理，为弥补焊接区的强度下降，采取局部增加焊接区厚度来补偿。

(2) 2A14铝合金焊接热裂纹倾向严重。经焊接加热后，焊缝金属沿晶界的低熔点共晶体将重新熔化，严重时，会形成过烧，并发展为热裂纹。焊接热输入的控制是防止过烧的有效手段。

(3) 2A14对应力集中十分敏感，焊缝表面的缺陷，焊缝正面、反面余高的急剧过渡都可能成为应力集中源，从而显著降低贮箱的承载能力。

3.32A14铝合金焊接接头厚度设计

2A14铝合金接头强度系数为0.6，是典型的低匹配结构，封头采用双面两道焊接，100%X射线无损检测(按航天行业标准QJ2698，Ⅰ级焊缝合格)，接头处材料许用应力：

[σ]t=143×0.6=85.8MPa

利用式(1)，计算得到接头处计算厚度：

接头处设计厚度δdh2为8.32mm，8～10mm厚铝合金材料厚度负偏差0.5mm。此封头母材由厚板化铣减薄而成，化铣误差为0.2mm，受火箭减重需求，设计厚度δdh为9.0mm。

4　封头结构设计

4.1母材与焊缝结构设计

低匹配焊缝余高及盖面焊道宽度的适当增加，能够降低焊缝内部应力，有助于低匹配接头焊缝区承载能力的提高。依据2.2及3.3计算的厚度，为了得到等匹配的设计结构及良好的受载状态，宜采用内外对称的结构形式，见图2(a)，同时设计板材厚度差异形成的过渡圆弧半径。

图2　焊缝结构设计

为了获得图2(a)不等厚分瓣零件，需要利用机械铣或者化学铣的方式进行厚板的减薄处理，而两侧均匀减薄的工艺实现难度大，工程上，多采用单侧减薄的工艺加工零件，见图2(b)。铝合金焊接接头中焊缝金属、熔合区、热影响区、淬火区、软化区等区域的力学性能均低于母材，为了保证母材与焊缝区域等匹配的结构，焊缝加厚区的宽度一般不小于40mm。为了减少应力集中，薄厚板间过渡半径R为5mm。

4.2封头结构

Φ3350mm直径铝合金封头分瓣压制、拼焊成形时，采用8块分瓣、45°均分的形式，分瓣采用10mm厚的板材制造成型，测量易发生工艺减薄的部位，制定化铣减薄方案，分别得到焊接区及非焊接区的厚度，见图3，将余量去除，有效部分包含了焊接区与非焊接区，获得需要的分瓣零件。封头分瓣大端尺寸为1316mm，封头顶盖直径为Φ1400mm，结构形状见图4。

图3　分瓣零件化铣示意

图4　封头设计图与实物

5　结语

(1)大直径运载火箭2A14铝合金封头拼焊制造时，采用母材与焊缝分别设计的方式，在0.56MPa承载条件下，母材设计厚度为5.6mm，焊接区设计厚度为9.0mm。采用厚板化铣减薄的方式，分别得到焊接区及母材的厚度。

(2)采用单侧减薄的工艺加工不等厚零件，可获得母材与焊缝区域等匹配的结构，焊缝加厚区的宽度不小于40mm。

(3)Φ3350mm直径铝合金封头采用8块分瓣、45°均分的形式，封头顶盖直径为Φ1400mm。

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2016-02-24)

*田志杰：高级工程师。2007年毕业于北京航空航天大学材料加工工程专业获硕士学位。从事运载火箭贮箱制造及焊接技术研究，发表文章二十余篇。联系电话:15101695568，E-mail：tzhj_2004@126.com。