一种铝合金材料雷达天线舱框架焊接加工工艺设计

陈小军，周含宣，杨春鹏

(中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

雷达天线舱架设在舰船桅杆，受到海浪起伏、天线方位转动等惯性载荷作用。天线舱框架是对整机机械性能、质量指标、控制系统的精度指标、安全指标等影响较大的结构件。[1]天线阵面为有源相控阵雷达的重要部件，天线舱框架为有源阵面提供安装空间和支撑。

某雷达天线舱框架安装如图1所示。安装在天线舱框架上的天线阵面包括T/R组件、分电箱及本振、时钟、功分模块、电源模块、冷却管路及环境监测装置等。阵面内模块众多且互联关系复杂，散热要求不同，需要通过框架来安装定位并冷却。因此，天线舱框架应保持足够的刚度与精度。

图1 天线舱框架安装示意图

1 天线舱框架工艺方案的制定

天线舱框架主体材料选用强度高、抗蚀性好的铝合金材料。铝合金的导热性强、热容量大、线胀系数大[2]，焊接变形较大。因此，控制天线舱框架焊接和加工的变形是天线舱框架工艺设计的重点。 某天线舱框架如图2所示。该天线舱框架由铝合金板材和型材焊接加工而成。框架截面呈等腰梯形，外形最大尺寸长约3 800 mm、宽约3 050 mm、高约3 200 mm。

图2 天线舱框架结构示意图(去除外蒙皮)

该天线舱框架由顶框、底框、左侧面框架、右侧面框架、T/R框架、面框架等6个部件组焊而成。天线舱框架外表面焊接有2 mm厚的铝板蒙皮。该框架是前后阵面倾斜70°、两侧面倾斜2.3°的4面梯形结构形式。框架结构特点是尺寸较大，焊缝较多，且为连续焊缝。天线舱框架的加工后主要技术要求：(1)底面平面度0.04，天线阵面安装面与底面的夹角70±15′，前后面平面度0.1，垂直度0.3；(2)T/R框架与底面的夹角70±30′，T/R框架内部安装面之间的垂直度、平行度0.03等。

天线舱框架采用氩弧焊拼焊成形。拼焊的部件随工装一起焊接并热处理去除应力，然后在总装工装的定位支撑下将4大部件拼焊在一起，蒙皮最后焊接，焊接后需要进行整体人工时效，去除焊接应力，最后加工各法兰面，加工时由加工工装支撑T/R框架，保证加工精度。该天线舱框架工艺流程如图3所示。

图3 天线舱框架工艺流程

2 天线舱框架的焊接工艺

天线舱框架整体尺寸大，结构比较复杂，前、后面板及左右侧框的位置控制较难。底框采用槽铝件等焊接，焊接部位多，焊接变形较大，其整体外形尺寸较难控制。焊接结构的焊缝必须完整连续、均匀，无焊穿、裂缝和气孔等缺陷，焊缝以双面角焊缝和坡口焊缝为主。为减小焊接变形，结构设计和施工工艺上都必须采用相应的措施，设计时尽量将焊缝对称分布，利用对称焊缝产生的相反变形来抵消零件的整体变形。在焊接工艺上采取如下措施：

(1) 焊接评定

根据CB/T 3748船用铝合金焊接工艺评定要求进行。根据板材和型材厚度和焊接类型，同批次材料通过试件焊接进行工艺参数验证，验证后方可进行正式焊接。当因更换材料、厚度、焊丝牌号等情况发生变化时，应重新验证焊接工艺参数。[3]试板厚度与可以适用的母材厚度对应关系如表1。试板按表2检测，其结果如满足技术要求则得出正式焊接工艺参数，如不满足技术要求则调整预焊接工艺参数并重新评定，最终得出能满足要求的焊接参数。

表1 试板厚度t与可适用的母材厚度对应关系表

表2 检查项目与检测内容表

(2) 焊接模拟仿真

针对焊缝较长容易产生较大变形的问题，采用专用软件对框架总体焊接后的变形进行数值模拟计算，根据结果得出焊接变形的重点控制部位。

(3) 反向预补偿

根据仿真结果和焊接经验预测焊接变形量及方向，采用反变形法预置一定的变形补偿量来抵消焊接后产生的变形，减小焊接变形量。

(4) 焊接顺序

设计合理的装配焊接顺序，按照从中间向四周的原则施焊。为避免框架整体焊接应力过大，变形后难以矫正，焊接工艺设计时采用分部件组焊法，框架部件焊接后矫正并消除应力后再总体装配焊接；焊接后采用退火去应力热处理。

(5) 焊接工装

设计框架的专用刚性约束工装和夹具，保证焊接变形能得到有效控制，设计各部件工装。图4为侧面框架装焊工装，部件焊接热处理后加工部件连接处。各部件间用榫头槽形式相互定位连接整体拼焊如图5所示。整体拼焊时设计专门的定位工装，实物如图6所示。

图4 侧面框架装焊工装示意图

图5 框架整体拼焊示意图

(6) 焊接操作

根据焊接评定试验得出的焊接参数，制定焊接操作作业指导书。对于有双面角焊缝和双V型焊缝的位置，采用双人对称施焊。对不满足要求的焊缝进行磨切后重新焊前清洗并按照规范补焊，直到满足要求。

图6 框架整体焊接热处理工装实物图

3 天线舱框架的加工

天线舱框架顶部和内部有设计基准平台，用于检测水平度和标校时安放校验仪器。选择行程满足要求的数控落地镗铣床加工，整体框架检查加工余量后进行粗加工，整体自然时效去除加工应力，时间不低于48 h。加工底面作为基准，设计专门的装夹工装(如图7所示)，保证侧面及T/R框架与底面的角度要求。框架各加工面设有工艺基准块，便于各面加工时的校准。

图7 天线舱框架加工示意图

4 天线舱框架焊接加工难点及解决措施

天线舱框架加工难点在于控制整体焊接变形和加工应力变形。除设计了必要的工装保证和相应的去应力措施外，框架的外蒙皮的焊接变形也是工艺重点考虑的。框架蒙皮的焊接直接影响整体密封性和美观性。

侧面框架部件如图8所示。该部件为上下侧开放设计，刚性差，焊接易变形。采用增加工艺筋的措施进行部件焊接，采用部件工装夹紧压平焊接后进行热处理，并将蒙皮分块施焊控制变形。

图8 改进前后侧面框架示意图

加工的难点：T/R框架内腔结构刚性较差。对于加工过程中易出现难加工的颤刀现象，设计了内框刚性工装，用于整体加工过程中加强框架结构刚性避免颤刀，保证T/R框架加工质量。

5 结束语

天线舱框架通过合理的部件拆分从控制部件焊接的变形开始，并利用整理工装保证整理组焊的精度。两侧边蒙皮焊接时预设工艺筋保证蒙皮焊接刚度来控制变形，同时通过合理的施焊工艺保证焊接的质量。加工时通过工装保证T/R框架的刚性支撑，确保组件模块在框架上的安装精度，达到了设计的精度要求。该框架通过焊接加工验证已转入正式产品。