隔层结构球形贮箱VP-TIG焊接

张国军 朱迅强 胡明华 乐 斌



隔层结构球形贮箱VP-TIG焊接

张国军 朱迅强 胡明华 乐 斌

（上海航天精密机械研究所，上海 201600）

介绍了某球形贮箱隔层结构特点和技术要求，分析了贮箱焊接性和焊接难点，制定了详细的焊接工艺方案，从焊接夹具、焊接工艺、焊接参数等方面详细说明了球形贮箱焊接过程和控制焊缝缺陷及焊接变形的方法，试验结果表明试制的球形贮箱产品的焊接质量符合设计要求, 工艺方案完全适合于隔层结构球形贮箱的焊接加工。

隔层结构球形贮箱；VP-TIG；铝合金

1 引言

铝及铝合金由于其优异的物理性能、化学特性、力学性能及工艺特性，在航天、航空、运输等行业得到了广泛的应用，是航空航天较为理想的结构材料，在运载火箭贮箱结构设计中常作为首选材料。

运载火箭贮箱既起着承受各种外载荷及内压的作用，又承担着支承各个系统的作用，同时又是存放火箭推进剂的大型容器。为了提高火箭的运载能力，较多地采用了薄壁结构。在某新型贮箱的研制过程中，综合考虑结构强度、重量、体积、外形和布局等多因素要求，采用了隔层球形结构设计，与传统的圆柱贮箱结构存在较大差别，在产品精度、制造要求等方面有特殊要求，因此必须对其制造技术展开研究。

2 贮箱结构特点及焊接要求

2.1 贮箱结构特点

贮箱为大直径薄壁球形构件，上、下为两个半球，中间为连接环，贮箱内部为金属膜片，连接环截面为“叉”形，上半球、下半球、金属膜片通过与连接环的分叉相焊接构成球形整体。其中上、下半球采用5A06铝合金拉伸成形，半径规格为355mm，壁厚尺寸为3.8mm，蒙皮厚度为1.8mm。膜片材料为L3，焊接边厚度为1.6mm，膜片内径尺寸为350mm，连接环采用5A06锻件机加工。

2.2 贮箱焊接技术要求

球形贮箱全部采用铝合金材料，结构尺寸大，制造难度较大。产品接头设计主要有对接接头及锁底接头两种结构形式，半球壳体外侧采取翻边与接管嘴相连接，连接环锁底槽与金属膜片卷边构成环缝锁底接头，上、下半球与连接环为对接接头。接管嘴焊缝采用手工填丝焊，金属膜片、上半球、下半球与连接环的连接全部采用自动化焊接。

贮箱技术指标分别从X光检查、整体焊缝强度、气密试验、检漏率等方面，对焊缝提出要求。

a. 设计规定对所有焊缝按照QJ 2698A—2011 I级焊缝要求进行X射线探伤。

b. 整球状态下，先使用压力为0.9MPa的液体进行焊缝强度、气密试验，保压15min，再充0.756MPa的气体，保压15min，在焊缝表面涂肥皂泡，要求无渗漏。

c. 锁底接头制作后，对焊缝进行氦质谱检测，要求检漏率<10-8Pa·m3/s。

3 主要技术难点

3.1 焊接变形控制

上半球与连接环、下半球与连接环的环缝均为封闭焊缝。上、下半球焊接时，温度应力超过母材的屈服强度，由于上、下半球为薄壁结构件，刚性较差，故焊缝易出现错位变形。该错位在外观上表现为半球外凸的形式[1]。

半球呈现外凸，造成错位，导致焊接难度的增大，对熔池搭桥能力影响很大，极易造成各种焊接缺陷，如烧穿、成形不良、焊瘤等，常见因错位引起的焊接缺陷如图2所示。

图2 错位引起的焊接缺陷

3.2 焊接质量稳定性要求高

球形贮箱共有三条焊缝，上半球与连接环焊接完成后，背后为敞开式，可以进行机械修整。金属膜片与连接环为锁底接头设计，下半球与连接环焊接后为封闭结构，对外的开口仅有半球壳体上的若干接管嘴。接管嘴内径最大为16mm，且距离焊缝较远。

对于锁底焊缝、下半球与连接环的焊缝，受限于结构特性，根本无法进入内部，正常的背面修整作业无法进行。这就对焊接工艺提出较高的要求，必须做到单面悬空焊接双面成形，并且保证一次焊接质量。

4 工艺方法与措施

4.1 焊接方法

送丝氩弧焊接由于填充焊丝不通过电流，不会产生飞溅，电弧燃烧过程稳定，是有色金属单面焊双面成形的优推方法。对于隔层结构贮箱焊接接头，由于焊接对象是薄壁铝合金，焊接受热变形难以控制，因此为控制焊接变形，需要选择热输入量更小的焊接工艺。VP-TIG焊接工艺具有交流矩形波形焊接工艺，其焊接工艺一方面可以改善交流焊接的电弧稳定性，一方面合理分配电弧和工件之间的热量分布，在满足阴极雾化的前提下，尽量减少钨极烧损，适用于薄壁结构的焊接；对于半球和接管嘴，接管嘴直径小，采用手工钨极焊接，对于半球和连接环的焊接则采用自动化设备进行。

而对于更薄的膜片与连接环的焊接，采用P-TIG工艺，在同样条件下脉冲焊接（P-TIG）较常规的焊接工艺变形量更小。采用脉冲焊时，所焊出的焊缝表面光洁，内部气孔较少，焊缝能够很好地融合，细化晶粒，形成一条光洁美观的焊缝。

4.2 焊丝选择及试验

连接环与金属膜片的焊接属异种材料焊接，金属膜片材料为纯铝L3，连接环材料为5A06，其化学成分如表1所示。

表1 L3纯铝及5A06铝合金和化学成分 %

表2 接头机械性能及无损检验结果

异种金属焊接时，对焊丝的要求是多方面的，既要满足裂纹、气孔倾向低，又要满足接头的力学性能，文献[2]推荐焊丝选择5A06，通过试板检验焊丝的性能，试板厚度为1.6mm。对焊后的试板取三组试样进行X射线检验和力学性能测试，检验结果如表2所示。试板试验表明，选择5A06焊丝，满足QJ 2698—95 I 级焊缝要求。

4.3 焊接夹具

工装设计包括两个方面，如图3所示。首先是确定装卡位置，保证装卡后待焊零件的同轴度，解决零件装配精度。由于上、下半球在径向均是封闭的半球结构，而上、下半球、金属膜片皆为薄壁圆形构件，刚度差，难以用于装卡基准。连接环为机加工锻件，整体刚性好，选择整球中间位置的连接环作为待装位置。采取外包箍式装配方案，装配时，待焊工件伸出抱箍，保证焊枪可达性。

图3 焊接工装及使用

其次解决焊接时上、下半球变形问题，以上、下半球圆面为基准设计，设计一个带有卡环的抱箍，焊接时利用尾座一定的进给量，使卡环与半球贴胎，增大半球刚度，抑制焊接时的错位现象。

4.4 焊前清洗

焊接前零件清洗程度对焊接内部质量影响很大，仅使用常规刮削去除难以满足质量需求。

采用机械清理与化学清理相结合的方法去除，即连接环与上半球连接部分先机加工（连接环下半球部分有加工余量），然后连接环整体表面阳极化，再机加工连接环下部锁底槽，以机加工的方式实现对氧化膜去除，焊接前再采用碱槽液和硝酸溶液局部浸泡清洗去除残留氧化膜，最后采用丙酮清洗并用中风量电吹风吹干[3]。类似的技术也用于连接环与下半球焊接时，连接环背后凹槽氧化膜的处理。

4.5 合适的焊接参数

为了调试出合适的焊接参数，摸索焊接参数和焊缝背后成形的关系，提高下半球焊接的一次成功率。设计了下半球与连接环焊接试验件，观察和优化焊缝成形。

采用双层焊进行半球与连接环的焊接[4]，选择大电流、小送丝的方式进行打底焊接。实现良好的单面焊接背面成形，背面焊漏控制在1.0mm之内，保证根部焊透及内部质量。盖面焊接主要是保证正面成形质量，优化焊缝表面，形成均匀的鱼鳞纹，采用1.2mm，2Hz的横向摆焊，保证焊缝有均匀光滑的外表面成形。最后所调试的焊接参数如表3所示。

表3 上、下半球焊接参数

金属膜片与连接环的焊缝，采用脉冲钨极氩弧焊接工艺，金属膜片与连接环厚度仅1.6mm，选择单层焊接。脉冲钨极氩弧焊时，在峰值电流时间段内，大电流可以有效加强对氧化膜的蒸发作用。电流变换的冲击搅拌作用，将熔池正面的氧化物及杂质从熔池表面排开，有利于保证焊接质量。焊接参数如表4所示。

表4 隔层焊接参数

5 大直径球形贮箱的试制和检测结果

5.1 外观质量

焊接完成后，检测焊缝外表面质量，焊缝表面无气孔，成形良好。焊缝宽度一致性好，余高满足要求，不存在咬边现象。焊缝表面质量如图4所示。

图4 焊缝表面成形质量

5.2 内部质量

焊缝内部质量要求为QJ 2698—95 I级。根据标准，对焊缝进行射线探伤，未发现超标缺陷。

5.3 强度、气密测试

强度试验未发现渗漏现象，气密试验未发现气泡。试验结果表明焊缝全部符合强度、气密要求。抽样爆破试验超出设计要求。

5.4 气腔氦质谱检测

在上述产品生产过程中，金属膜片与连接环焊接完成后，对气腔进行氦质谱检测。实际检测结果符合设计要求。

6 结束语

大直径球形贮箱的焊缝检测结果表明，工艺流程和加工方案适用于产品生产，焊接措施效果明显，解决了薄壁锁底结构焊接及大直径半球形贮箱焊接变形的双重技术难题，其中，单面焊接双面高质量成形技术与合适的抑制焊接变形的工装是解决导热快、薄壁、近密封球形结构焊接的技术关键。

1 胡明华. 一级燃料箱后底环缝错位的研究[J]. 上海航天，2003，20(2)：60～62

2 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册[M]. 北京：机械工业出版社，2002

3 黄旺福，黄金刚. 铝及铝合金焊接指南[M]. 湖南：湖南科学技术出版社，2005

4 刘红伟. 5A06铝合金焊接接头性能研究[J]. 兵器材料科学与工程，2009，32(2)：75～79

VP-TIG Welding of Interlayer Structure Spherical Tank

Zhang Guojun Zhu Xunqiang Hu Minghua Le Bin

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

The paper introduces the characteristics and technical requirements of interlayser structure ofspherical-tank, and analyzes the weldability and welding difficulties of tank. It formulates the welding technologyproject and explicates the welding process of spherical-tank and the measures to control the defects of weldedseams and welding deformation from welding fixture, welding procedure and welding parameters. The results show that the welding quality of the first batch of spherical-tank meets design requirements, and thistechnology project is completely suitable for welding processing of the interlayser structure spherical-tank.

interlayser structure spherical-tank；VP-TIG；aluminum alloy

张国军（1984），工程师，材料专业；研究方向：焊接工艺与工艺自动化。

2017-04-25