王英杰，楊衛(wèi)鵬

(西安航天發(fā)動機廠，陜西 西安 710100)

鈮鉿噴管延伸段激光點焊工藝研究

王英杰，楊衛(wèi)鵬

(西安航天發(fā)動機廠，陜西 西安 710100)

通過研究δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金搭接結(jié)構(gòu)圓形軌跡運動方式激光點焊焊縫熔深與焊接速度、焊縫熔深與焊接功率以及焊縫抗剪力/熱輸入量與試驗序號之間的關(guān)系，得到了激光點焊工藝規(guī)范，安裝有采用該工藝規(guī)范焊接完成的NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段的發(fā)動機通過了高模試車考核。

激光點焊;鈮鉿合金;搭接結(jié)構(gòu)；噴管延伸段

0 引言

某型液體火箭發(fā)動機為常規(guī)推進劑上面級發(fā)動機，采用泵壓式推進劑供應(yīng)系統(tǒng)和燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，燃料和氧化劑泵與渦輪同軸，固體火藥起動器起動，發(fā)動機主、副系統(tǒng)均采用汽蝕管作為調(diào)節(jié)元件，雙向搖擺，二次起動，推力室噴管面積比為70，燃燒室和噴管面積比為12的短噴管均采用再生冷卻方式，即釬焊夾層蜂窩冷卻結(jié)構(gòu)；噴管面積比為12～70的噴管延伸段采用輻射冷卻方式，即單壁冷卻結(jié)構(gòu)，噴管延伸段母材為鈮鉿合金(NbHf10-1， 熔點為2 310 ℃，極易氧化)，噴管延伸段內(nèi)、外表面均噴涂高溫抗氧化涂層，以提高鈮鉿合金噴管延伸段使用壽命，噴管延伸段與推力室短噴管之間采用法蘭連接，噴管延伸段由延伸段組合件和三個加強筋搭接而成，加強筋材料亦為鈮鉿合金，延伸段組合件與三個加強筋搭接后由激光點焊連接成一個整體。

1 噴管延伸段組合件激光點焊設(shè)計要求

噴管延伸段組合件由延伸段和加強筋經(jīng)激光點焊連接而成，圖1為噴管延伸段組合件結(jié)構(gòu)示意原理簡圖，由圖1可見，三個加強筋套裝在延伸段不同部位，延伸段和三個加強筋均采用搭接結(jié)構(gòu)連接，加強筋材料為鈮鉿合金(NbHf10-1)，加強筋1和加強筋2處的搭接組合厚度δ1=1+1 mm，加強筋3處的搭接組合厚度δ2=1+0.7 mm，加強筋1處激光點焊數(shù)N1=36個(沿圓周方向均布)，加強筋2處激光點焊數(shù)N2=42個 (沿圓周方向均布)，加強筋3處激光點焊數(shù)N3=46個(沿圓周方向均布)，激光點焊總數(shù)N=N1+N2+N3=124，激光點焊縫抗剪力FS≥4 500 N。

2 激光焊接原理與工藝試驗

2.1 激光焊接原理

激光與其他光源一樣是電磁波，另外還具有獨特的性能，激光方向性好，亮度高，單色性好，相干性好，激光焊接加工時，被焊工件材料吸收的激光光能向熱能的轉(zhuǎn)化是在極短的時間內(nèi)完成的，在這個極短的時間內(nèi)，熱能僅僅局限于被焊工件材料的激光輻照區(qū)內(nèi)，而后通過熱傳導(dǎo)，該熱量由高溫區(qū)傳向低溫區(qū)并在被焊工件表面形成焊縫。采用激光焊接，生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量好，與一般焊接方法相比，激光焊接具有較多優(yōu)點。聚焦后的激光束具有很高的功率密度(105～107W/cm2或更高)，加熱速度快，可實現(xiàn)深熔焊和高速焊，激光加熱范圍小(激光光斑直徑小于1 mm)，在焊接功率和被焊工件厚度相同的條件下，焊接熱影響區(qū)小、焊接應(yīng)力和變形小[1-5]。激光可發(fā)射和透射，可在空間傳播相當(dāng)距離而衰減很小，激光可通過光導(dǎo)纖維、棱鏡等光學(xué)方法彎曲傳輸和偏轉(zhuǎn)，易于聚焦，特別適用于微型工件、難以接近或遠距離部位焊接。激光焊接屬于非接觸式焊接，不需使用電極，沒有電極污染或耗損問題，一臺激光器可供多個工作臺進行不同的加工。激光在大氣中損耗很小，可以穿過玻璃等透明物體，適用于在玻璃制成的密封容器里焊接鈹合金等劇毒工件材料；激光不受電磁場的影響(電弧焊和電子束焊受電磁場影響)，能精確地對準(zhǔn)焊件進行焊接；激光焊接不存在X射線防護問題，也無需真空保護。激光焊接可以焊接常規(guī)焊接方法難以焊接的材料，如高熔點金屬、非金屬材料(如陶瓷、有機玻璃等)等；對熱輸入敏感的工件材料也可以實現(xiàn)激光焊接，焊后工件無需進行熱處理；激光焊接可以用于焊接各種異質(zhì)材料的工件。

激光焊接是利用激光能(可見光或紫外光)作為熱源熔化和連接工件的焊接方法，激光焊接時，激光照射到被焊工件材料表面，與工件材料發(fā)生作用，一部分被反射，一部分被吸收，吸收的激光進入工件材料內(nèi)部，激光在工件材料表面的反射、透射和吸收過程，實質(zhì)上是光波電磁場與工件材料相互作用結(jié)果的表現(xiàn)過程，激光光波入射進入到工件材料后，工件材料中的帶電粒子依照激光光波矢量的諧振步調(diào)一起與激光光子振動，使激光光子的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)閹щ娏Ｗ拥膭幽埽诖诉^程中還會產(chǎn)生能量較高的質(zhì)子、自由電子、束縛電子、聲子等，這些粒子原始激發(fā)能經(jīng)過一定程度的集聚和積累，最終均轉(zhuǎn)化為熱能。金屬材料的激光吸收系數(shù)為107～108m-1，激光在金屬材料表面0.01～0.1 μm的厚度范圍內(nèi)被吸收并轉(zhuǎn)變成熱能，引起金屬材料表面溫度升高，該溫度再傳向金屬材料內(nèi)部，以實現(xiàn)焊接區(qū)域金屬材料的熔化和焊縫的形成。金屬材料對激光的吸收，主要與激光波長，金屬材料的性質(zhì)、溫度、表面狀態(tài)以及激光功率密度等因素有關(guān)；一般來說，金屬材料對激光的吸收率隨著金屬材料表面溫度的上升而增大，隨著金屬材料電阻率的增加而增大，激光光子轟擊金屬材料表面可形成金屬蒸氣，蒸發(fā)的金屬可以防止激光剩余能量被金屬反射掉，如果被焊金屬材料的導(dǎo)熱性較好，則會在被焊金屬材料上得到較大的焊縫熔深。激光焊接過程中，被焊工件和激光光束做相對運動，焊接過程中金屬材料劇烈蒸發(fā)產(chǎn)生的強驅(qū)動力使“匙孔”前沿形成的熔化金屬沿某一角度得到迅速加速，在“匙孔”后面金屬材料的近表面處形成熔流，“匙孔”后方的液態(tài)金屬受傳熱效應(yīng)作用，該液態(tài)金屬溫度迅速降低并很快凝固，由此，在被焊金屬工件材料表面形成了連續(xù)的焊縫[6-10]。

單個激光點焊縫的抗剪力與熱輸入量遵循:

(1)

式中:F為單個激光點焊縫的抗剪力，N；Q為單個激光點焊縫的熱輸入量，J；K為單個激光點焊縫的抗剪力與熱輸入量的比值，N/J。

K值越大，說明單位熱輸入量所獲得的抗剪力越大，在獲得相同的抗剪力時，所需要的熱輸入量越小，被焊工件的變形量越小。

熱輸入量：

(2)

式中:P為單個激光點焊縫的焊接功率，W；L為單個激光點焊縫的長度，m；V為激光點焊時的焊接速度,m/s，Q為激光焊接時的熱輸入量，J。

2.2 激光點焊工藝試驗

激光點焊標(biāo)準(zhǔn)試片材料為NbHf10-1鈮鉿合金，其化學(xué)成分見表1，標(biāo)準(zhǔn)試片規(guī)格為100×20×1 mm和100×20×0.7 mm，分別焊接δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金搭接標(biāo)準(zhǔn)試片，搭接長度為L=30 mm。焊接設(shè)備是機器人式激光焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用德國IPG公司生產(chǎn)的YLS激光器，最大焊接功率Pmax=1 kW。

表1 NbHf10-1鈮鉿合金化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of NbHf10-1 alloy %

用NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)試片進行激光點焊試驗，并對激光點焊后的標(biāo)準(zhǔn)試片進行理化和力學(xué)性能分析，以獲得激光點焊的最佳焊接軌跡和焊接工藝參數(shù)，并在噴管模擬件上進行應(yīng)用和驗證。由圖1可見，加強筋處于上方，噴管延伸段處于下方，加強筋壁厚為1 mm，延伸段壁厚為1 mm和0.7 mm。對于δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片進行激光點焊試驗，當(dāng)激光束與工件相對位置固定時，激光點焊易導(dǎo)致焊縫氧化和下凹，加之光致等離子體效應(yīng)，使得激光點焊的有效熔深降低，為此，采用激光束與工件保持相對運動的激光點焊方式，相對運動方式為：平行線運動方式和圓形軌跡運動方式，采用平行線運動方式點焊，焊縫軌跡長度為20 mm，兩平行線間距離為8 mm，δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片焊縫尾部下陷，焊縫表面質(zhì)量不能滿足設(shè)計技術(shù)要求；采用圓形軌跡運動方式點焊，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm,Φ7 mm,Φ6 mm,Φ10 mm，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm時，δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片焊縫抗剪力與熱輸入量比值最大，焊縫形貌和表面質(zhì)量滿足設(shè)計技術(shù)要求；焊縫軌跡中心線直徑為Φ7 mm,Φ6 mm時，δ1=1+1 mm厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片焊縫抗剪力與熱輸入量比值較小，焊縫形貌和表面質(zhì)量滿足設(shè)計技術(shù)要求；焊縫軌跡中心線直徑為Φ10 mm時，δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片焊縫抗剪力與熱輸入量比值較小，焊縫形貌和表面質(zhì)量滿足設(shè)計技術(shù)要求(見圖4)；經(jīng)過試驗與比較，噴管延伸段與三個加強筋搭接后采用圓形軌跡運動方式進行激光點焊，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm，噴管延伸段與三個加強筋搭接后經(jīng)過激光點焊連接成一個整體，可提高延伸段整體剛性，防止發(fā)動機在工作過程中發(fā)生失穩(wěn)。激光點焊焊縫的抗剪力與焊縫熔深和被焊兩層標(biāo)準(zhǔn)試片之間的有效熔合面積有關(guān)，該抗剪力與焊縫熔深和熔合面積成正比，為此，進行激光點焊焊縫金相試驗，以獲取焊縫熔深與焊接工藝參數(shù)之間的關(guān)系；對標(biāo)準(zhǔn)試片進行力學(xué)性能試驗，以獲取圓形軌跡運動方式激光點焊工藝參數(shù)與抗剪力和熱輸入量比值之間的關(guān)系。

用于金相分析的NbHf10-1鈮鉿合金激光點焊試驗標(biāo)準(zhǔn)試片為δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的搭接試片，采用圓形軌跡運動方式激光點焊，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm，離焦量Z=0，δ1=1+1 mm厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片激光點焊工藝參數(shù)為：焊縫整周(100%圓周周長)激光焊接功率P1=1 kW，焊接速度分別為：V1=0.003 m/s，V2=0.004 m/s，V3=0.005 m/s，V4=0.006 m/s，焊后試片編號為：1#～4#；焊縫圓周前30%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后70%周長激光焊接功率P2=0.9 kW，焊接速度分別為：V1=0.003 m/s，V2=0.004 m/s，V3=0.005 m/s，V4=0.006 m/s，焊后試片編號為：5#～8#；焊接速度V5=0.004 m/s，焊縫圓周前50%周長激光焊接功率P1=1 kW、焊縫圓周后50%周長激光焊接功率P2=0.9 kW，焊縫圓周前10%周長激光焊接功率P1=1 kW、焊縫圓周后90%周長激光焊接功率P2=0.9 kW，焊后試片編號為：9#～10#。δ2=1+0.7 mm厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片激光點焊工藝參數(shù)為：焊縫整周(100%圓周周長)激光焊接功率P1=1 kW，速度分別為：V1=0.003 m/s，V2=0.004 m/s，V3=0.005 m/s，焊后試片編號為11#～13#；焊縫圓周前50%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后50%周長激光焊接功率P2=0.9 kW，焊接速度分別為：V1=0.003 m/s，V6=0.004 m/s，V3=0.005 m/s，焊后試片編號為：14#～16#。對焊后試片焊縫進行金相分析，以獲得焊縫熔深，由1#～8#、11#～16#試片激光點焊工藝參數(shù)和焊縫熔深可以得到圓形軌跡運動方式(焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm)激光點焊焊縫熔深與焊接速度之間的關(guān)系，見圖2，由圖2可見，對于δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片進行激光點焊時，隨著焊接速度的增加，焊縫熔深隨之減小。由2#、6#、9#及10#試片激光點焊工藝參數(shù)和焊縫熔深可以得到圓形軌跡運動方式(焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm)激光點焊焊縫熔深與焊接功率之間的關(guān)系，見圖3，由圖3可見，隨著激光焊功率的減小，焊縫熔深也隨之減少，這是焊接熱輸入量減小所致。圖2和圖3中的C均為采用圓形軌跡運動方式進行激光點焊，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm圓周的周長。

采用NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片按表2激光點焊工藝參數(shù)進行焊接試驗。激光點焊工藝試驗，離焦量Z=0，δ1=1+1 mm厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片激光點焊工藝參數(shù)為：焊縫軌跡中心線直徑為Φ6 mm時，焊接速度V1=0.001 m/s，V2=0.002 m/s，焊縫兩周(200%圓周周長)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周10%周長激光焊接功率P2=0.95 kW；焊縫軌跡中心線直徑為Φ7 mm時，焊接速度V1=0.001 8 m/s，V2=0.002 m/s，V3=0.004 m/s，焊縫整周(100%圓周周長)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周90%周長激光焊接功率P2=0.95 kW；焊縫兩周(200%圓周周長)激光焊接功率P1=1 kW；焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm時，焊接速度V1=0.004 m/s，焊縫圓周前70%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后30%周長激光焊接功率P2=0.9 kW;焊縫圓周前80%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后20%周長激光焊接功率P2=0.9 kW;焊縫圓周前85%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后15%周長激光焊接功率P2=0.9 kW；焊縫軌跡中心線直徑為Φ10 mm時，焊接速度V5=0.004 m/s，焊縫圓周120%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周70%周長激光焊接功率P2=0.9 kW。δ2=1+0.7 mm厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片激光點焊參數(shù)為：焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm時，焊接速度V1=0.004 m/s，焊縫圓周前60%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后40%周長激光焊接功率P2=0.9 kW；焊縫圓周前55%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后45%周長激光焊接功率P2=0.9 kW；焊縫軌跡中心線直徑為Φ10 mm時，焊接速度V1=0.004 m/s，焊縫圓周40%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周30%周長激光焊接功率P2=0.95 kW；焊縫圓周50%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周60%周長激光焊接功率P2=0.95 kW。對激光點焊后標(biāo)準(zhǔn)試片進行抗剪力試驗，試驗所得焊縫抗剪力數(shù)值見表2。

由表2可見，激光點焊縫的抗剪力F>4 500 N，滿足設(shè)計要求FS≥4 500 N。

由表2、 公式(1)和公式(2)經(jīng)過計算與分析，可得到圖4所示的NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片激光點焊縫抗剪力/熱輸入量與試驗序號之間的關(guān)系曲線，由圖2、圖3和圖4，可得出激光點焊NbHf10-1鈮鉿合金δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片的工藝規(guī)范為：采用圓形軌跡運動方式激光點焊，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm，離焦量Z=0，焊接速度為：V1=0.004 m/s， 對于δ1=1+1 mm厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片，焊縫圓周前85%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后15%周長激光焊接功率P2=0.9 kW；對于δ2=1+0.7 mm厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片，焊縫圓周前60%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后40%周長激光焊接功率P2=0.9 kW。

3 激光點焊工藝

噴管延伸段組合件激光點焊工藝主要包括：焊前酸洗、噴管延伸段組合件裝夾、激光點焊定位、拆卸拉桿工裝、激光點焊噴管延伸段組合件、X光檢測激光點焊縫等工序組成，噴管延伸段組合件激光點焊工藝流程框圖見圖5，激光點焊工藝規(guī)范見表3。

表2 NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)試片激光點焊工藝試驗與焊縫抗剪力實測數(shù)值Tab.2 Laser spot-welding test parameters and measured weld shear resistance values of NbHf10-1 alloy standard specimens

激光焊接系統(tǒng)由激光器、機器人系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)等組成，激光器是德國IPG公司生產(chǎn)的YLS激光器，機器人系統(tǒng)是德國KUKA公司生產(chǎn)的，機器人機械臂和轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)是通過手持式編程器KCP控制機編程控制其運動的，激光焊接參數(shù)是通過專用軟件進行設(shè)置、調(diào)節(jié)和控制的。激光點焊作業(yè)時，在激光器控制系統(tǒng)上按照激光點焊工藝規(guī)范要求編制激光點焊功率隨時間變化的曲線，機器人系統(tǒng)的機械臂在需要進行激光點焊的部位按照激光點焊工藝規(guī)范要求的激光點焊軌跡確定點焊坐標(biāo)，進行模擬運行，確認(rèn)運動軌跡正確后，工件裝夾固定不動，通過焊接機器人機械臂的運動以實現(xiàn)按照預(yù)先設(shè)想的運動軌跡進行激光點焊作業(yè)。噴管延伸段組合件激光點焊前，對噴管延伸段和三個加強筋進行酸洗，以去除工件表面的氧化物；使用噴管延伸段組合件激光點焊專用工裝裝夾噴管延伸段組合件，專用工裝由內(nèi)胎、擋圈、拉桿等部分組成，裝夾工件的方法是：將激光點焊工裝內(nèi)胎的大端朝下放置于工裝停放架上，從小端將噴管延伸段裝配在工裝內(nèi)胎上，并用工裝法蘭將延伸段小端壓降至工裝內(nèi)胎上，把加強筋3,加強筋2和加強筋1依次裝配在噴管延伸段上，把加強筋3所用擋圈裝配在加強筋3的上沿，把擋圈上6個拉桿的螺栓分別對稱地緊固在工裝內(nèi)胎的大端，用塞尺測量加強筋和噴管延伸段之間的間隙，并調(diào)節(jié)該間隙，使得加強筋與延伸段之間的貼合間隙ε<0.05 mm，按此方式依次將加強筋2、加強筋1分別裝配在噴管延伸段上，并用擋圈緊固；將裝夾好的噴管延伸段組合件和工裝裝夾在測量臺上，在加強筋1上每隔10°度劃一個激光點焊位置線，共劃出N1=36個(沿圓周方向均布)的激光點焊位置線，在加強筋2上每隔8.6°度劃一個激光點焊位置線，共劃出N2=42個(沿圓周方向均布)的激光點焊位置線，加強筋3上每隔7.8°劃一個激光點焊位置線，共劃出N3=46個(沿圓周方向均布)的激光點焊位置線，劃線完畢后，將裝夾好的噴管延伸段組合件和工裝裝夾在轉(zhuǎn)動平穩(wěn)的激光焊機轉(zhuǎn)臺上，準(zhǔn)備進行激光點焊作業(yè)；激光點焊前，在焊縫正面將氬氣保護工裝裝夾在加強筋上需要進行激光點焊的部位，在焊縫背面工裝內(nèi)胎表面的氬氣保護槽內(nèi)通入氬氣，以避免焊接過程中焊縫發(fā)生氧化，焊縫正面和背面的氬氣流量范圍均為Q=10～15 L/min，在每個加強筋拉桿之間的區(qū)域分別焊接1個激光點焊點，則在6個對稱分布的拉桿之間共對稱地焊接6個激光點焊點，待每個加強筋上6個對稱的激光點焊點焊接完成后，將噴管延伸段組合件和工裝從焊機上取下，并將其放置在停放架上，將3個加強筋上沿的擋圈和拉桿分別從點焊工裝上拆卸下來，以消除其對剩余激光點焊點焊接過程中所產(chǎn)生的干擾，再將工裝和噴管延伸段組合件裝夾在激光焊機轉(zhuǎn)臺上，將加強筋剩余位置處的激光點焊點焊接完成，共需焊接N=N1+N2+N3=124個激光點焊點，在每個加強筋上相鄰的兩個激光點焊點均位于圓周方向?qū)ΨQ的位置上；焊接完成后，拆卸噴管延伸段組合件和工裝，并檢查激光點焊縫背面是否存在焊漏，若存在焊漏，將焊漏打磨掉，使其與基體保持平滑過渡；對每個激光點焊縫進行X光檢測，以檢查點焊縫內(nèi)部質(zhì)量。

焊縫位置圓形軌跡中心線直徑/mm焊接速度/(m·s-1)激光焊接功率/kW加強1、加強筋2和延伸段(δ1=1+1mm厚度組合)加強筋3和延伸段(δ2=1+07mm厚度組合)8V5=000485%C，1+15%C，0960%C，1+40%C，09

4 發(fā)動機地面熱點火試車

激光點焊完成的噴管延伸段組合件與法蘭采用電子束焊接后，則形成噴管延伸段，噴管延伸段內(nèi)外表面噴涂高溫抗氧化涂層，以避免NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段在高溫下的劇烈氧化，延長鈮鉿合金噴管延伸段的使用壽命，NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段噴涂完成后，即可交付裝配發(fā)動機，安裝有激光點焊NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段的發(fā)動機進行了高模試車，試車工作時間為tz3=200 s，發(fā)動機起動、關(guān)機正常，主要性能參數(shù)協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、并滿足設(shè)計技術(shù)要求，關(guān)機后發(fā)動機噴管延伸段完好，由此表明：激光點焊NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段的工藝是正確的、合理的和有效的。

5 結(jié)論

通過研究δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金搭接結(jié)構(gòu)圓形軌跡運動方式激光點焊焊縫熔深與焊接速度、焊縫熔深與焊接功率以及焊縫抗剪力/熱輸入量與試驗序號之間的關(guān)系，得到了激光點焊工藝規(guī)范，即采用圓形軌跡運動方式激光點焊，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm，離焦量Z=0，焊接速度為：V1=0.004 m/s， 加強筋1和加強筋2處的搭接組合厚度δ1=1+1 mm，焊縫圓周前85%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后15%周長激光焊接功率P2=0.9 kW；加強筋3處的搭接組合厚度δ2=1+0.7 mm，焊縫圓周前60%周長激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后40%周長激光焊接功率P2=0.9 kW。安裝有采用該工藝規(guī)范焊接完成的NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段的發(fā)動機通過了高模式車考核，由此表明：激光點焊NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段的工藝是正確的、合理的和有效的。

[1] 趙耀邦， 徐愛杰， 姜勇, 等. 激光焊接技術(shù)研究進展及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 航天制造技術(shù)， 2013(3): 55-58.

[2] 溫志先， 劉洋， 汪永陽, 等. 高溫鈦合金TA12激光-MIG復(fù)合焊應(yīng)力場有限元分析[J]. 電焊機， 2014， 44(12): 94-98.

[3] 魏敬丹， 張?zhí)煊睿?張景超, 等. 鋁合金激光拼焊應(yīng)力場數(shù)值模擬[J]. 熱加工工藝， 2013， 42(15): 173-175.

[4] 張亮. 中厚板激光多層焊溫度場與應(yīng)力應(yīng)變場的數(shù)值模擬[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文， 2011.

[5] 王俊杰， 常明， 何恩光. 鈦合金薄板激光修飾焊殘余應(yīng)力研究[J]. 焊接技術(shù)， 2015(3): 75-77.

[6] 李亞江， 李嘉寧. 激光焊接/切割/熔覆技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社， 2012.

[7] 王吉平. 小直徑超薄壁管縱縫的激光焊接[J]. 火箭推進， 2005， 31(1): 44-46.

WANG Jiping. The laser welding of longitudinal seam in small diameter ultralight wall tubes[J].Journal of rocket propulsion， 2005， 31(1): 44-46.

[8] 葉力華.激光焊接夾層噴管的技術(shù)現(xiàn)狀[J].火箭推進， 2003， 29(5): 38-41.

YE Lihua. The technology status of laser welding interlayer nozzle[J]. Journal of rocket propulsion， 2003， 29(5): 38-41.

[9] 劉澤敏，王磊，謝屹.自鎖閥激光焊接工藝研究[J]. 火箭推進， 2016， 42(4): 90-96.

LIU Zhemin， WANG Lei， XIE Yi. Thetechnical study on laser welding of self locking valve[J].Journal of rocket propulsion， 2016， 42(4): 90-96.

[10] 呂濤.鈦合金艙體結(jié)構(gòu)件激光點焊變形預(yù)測與焊接順序優(yōu)化[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2013.

Research on laser spot-welding technology of Nb-Hf alloy nozzle extension section

WANG Yingjie，YANG Weipeng

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

The laser spot-welding technologies in a circular path motion mode of NbHf10-1 alloy lapped structures withδ1=1+1 mm andδ2= 1+0.7 mm thickness combinations are studied in this paper. The laser spot-welding process specifications were obtained based on the study of the relations between weld penetration and welding speed， between weld penetration and welding power， as well as between weld shear resistance/heat input and test serial number. The engines with welded NbHf10-1 alloy nozzle extension sections adopting the above process specifications have passed the high-altitude simulation tests.

laser spot-welding;Nb-Hf alloy;lapped structure；nozzle extension section

2016-10-31；

2017-02-07

王英杰，男(1986—)，工程師，碩士，研究領(lǐng)域為高能束焊及其他焊接工藝技術(shù)

V261-34

A

1672-9374(2017)06-0088-09

(編輯：馬杰)