葛 寧 王曉玲 趙和明

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儲氣罐悶頭與毛細(xì)管焊接方法研究

葛 寧 王曉玲 趙和明

（上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 201112）

通過彎曲試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、拉脫試驗(yàn)和微觀分析，對比儲氣罐悶頭和毛細(xì)管采用激光焊和錫焊兩種焊接方法的焊接質(zhì)量。結(jié)果表明，激光焊和錫焊的彎曲和扭轉(zhuǎn)性能相當(dāng)；激光焊的拉脫性能優(yōu)于錫焊；錫焊存在局部未覆蓋情況，影響焊接強(qiáng)度，激光焊縫成型較好，未出現(xiàn)氣孔、夾雜、裂紋等缺陷。

悶頭；毛細(xì)管；激光焊；錫焊

1 引言

儲氣罐是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中地面能源的重要組成部分，其作用為貯存高壓氬氣，系統(tǒng)工作時，儲氣罐內(nèi)高壓氬氣利用節(jié)流效應(yīng)對彈上紅外探測器制冷，達(dá)到提高探測器精度的目的，使導(dǎo)彈進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)。儲氣罐的悶頭與毛細(xì)管采用焊接的方法連接，本文針對錫焊和激光焊兩種焊接方法，焊接悶頭和毛細(xì)管，通過對比兩種焊接方法的焊接性能，為儲氣罐悶頭與毛細(xì)管焊接方式的確定提供依據(jù)。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及焊接方法介紹

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

為適應(yīng)地面能源的安裝結(jié)構(gòu)，儲氣罐采用了螺旋形結(jié)構(gòu)，儲氣罐實(shí)物如圖1所示。儲氣罐通過悶頭和壓緊螺母螺紋連接地面能源接口，形成可靠密封，保證儲氣罐內(nèi)高壓氬氣通過管路進(jìn)入導(dǎo)彈，而不會發(fā)生泄漏。工作時，地面能源的點(diǎn)火電路引爆電爆閥，推動撞針切斷儲氣罐毛細(xì)管，儲氣罐中高壓氬氣沖出，通過管路進(jìn)入探測器，儲氣罐與地面能源接口示意圖如圖2所示。

圖1 儲氣罐實(shí)物

圖2 總體接口連接示意圖

2.2 焊接方法

悶頭與毛細(xì)管采用的焊接方法一般有錫焊、激光焊。錫焊的焊接原理是加熱焊錫使之融化為液體，流到悶頭與毛細(xì)管之間的縫隙，錫焊中的錫和鉛的任何一種原子便會進(jìn)入悶頭和毛細(xì)管的晶格，在焊接間形成金屬合金，使其可靠地連接在一起[1]。從微觀角度分析錫焊過程的物理/化學(xué)變化，錫焊主要通過潤濕、擴(kuò)散以及冶金三個過程完成。錫焊具有操作方便，對毛細(xì)管不造成損傷等優(yōu)點(diǎn)。

激光焊接是一種高效精密焊接方法，其利用高能量密度的激光束作為熱源[2]。激光焊接方法具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接變形量小以及焊縫強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。同時，激光焊接無需真空環(huán)境和近乎苛刻的剛性支撐，工藝柔性更好，對各種接頭形式的適應(yīng)性更強(qiáng)[3～5]。

3 試驗(yàn)材料和方法

毛細(xì)管的規(guī)格為1.6mm×0.4mm，材料為1Cr18Ni9Ti，悶頭的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，材料為1Cr18Ni9Ti。

圖3 悶頭的結(jié)構(gòu)形式

激光焊接采用ML2350A激光焊機(jī)，激光入射方向與工作臺轉(zhuǎn)軸30°～40°，采用悶頭大端和小端兩端焊接，激光焊接過程的保護(hù)氣體為高純氬氣，高純氬氣的純度為99.999%，優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 激光焊焊接參數(shù)

錫焊采用電烙鐵，首先在待焊部位滴入1～2滴磷酸釬劑（H3P04），并用電烙鐵預(yù)熱待錫焊的部位，隨后填入錫焊絲并通電錫焊，錫焊絲為HLSn40PbA，直徑為1.6～2.5mm，優(yōu)化的錫焊焊接溫度為（350±15）℃，焊接試驗(yàn)為3～5s。

焊接完成后檢查試樣焊縫外觀，合格后對比驗(yàn)證試驗(yàn)，包括彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉脫、焊縫微觀組織形貌。

彎曲和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的試樣如圖4所示，將悶頭和毛細(xì)管焊接后的試樣與六角螺母焊接，試驗(yàn)時將悶頭部位固定，在外套螺母部位施加彎矩和扭矩，其中，為儲氣罐悶頭與地面能源對接后焊縫部位承受彎矩和扭矩的力臂長度。

圖4 拉伸、扭轉(zhuǎn)試樣

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 彎曲試驗(yàn)

表2 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖5 悶頭斷裂形貌

對圖4中的彎曲試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，夾持悶頭，對悶頭大端毛細(xì)管反復(fù)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)的彎曲角度為單邊45°，試驗(yàn)以毛細(xì)管出現(xiàn)裂紋或焊縫處斷裂為終止條件。兩種焊接方式各進(jìn)行了三件試樣的彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明，采用激光焊和錫焊，彎曲性能相當(dāng)，激光焊的彎曲次數(shù)略高于錫焊，兩種焊接方式均有較大的安全系數(shù)。使用電子顯微鏡觀察試樣彎曲斷裂后斷口的宏觀和微觀形貌，分析結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明，斷口的主要形貌為韌窩，斷裂的性質(zhì)屬于過載塑性斷裂，非焊接因素造成。

4.2 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

對圖4中的扭轉(zhuǎn)試樣進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，夾持悶頭，在六角螺母處施加力矩扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)角度為90°，試驗(yàn)以毛細(xì)管出現(xiàn)裂紋或焊縫處斷裂為終止條件。兩種焊接方式各進(jìn)行了三件試樣的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明，采用激光焊和錫焊，扭轉(zhuǎn)性能相當(dāng)，激光焊的扭轉(zhuǎn)次數(shù)略高于錫焊，兩種焊接方式均有較大的安全系數(shù)。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)失效后的試樣形貌如圖6所示，六件試樣的失效形式均為毛細(xì)管出現(xiàn)裂紋，驗(yàn)證了激光焊和錫焊均具有較高的扭轉(zhuǎn)性能。

表3 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

圖6 扭轉(zhuǎn)試樣失效形貌

4.3 拉脫試驗(yàn)

為驗(yàn)證兩種焊接試樣的抗拉強(qiáng)度，進(jìn)行了兩種焊接方式試樣的拉脫試驗(yàn)，試驗(yàn)采用逐步加載方式，試驗(yàn)以悶頭從毛細(xì)管脫落或拉脫力到達(dá)預(yù)期值為終止條件。兩種焊接方式各進(jìn)行了兩件試樣的拉脫試驗(yàn)，兩件錫焊試樣的拉脫分別增加至30kg、33kg時，悶頭從毛細(xì)管脫落，試驗(yàn)結(jié)束。兩件激光焊試樣的拉脫力分別增加至60kg時，悶頭和毛細(xì)管狀態(tài)完好，施加力已到達(dá)預(yù)期值，試驗(yàn)結(jié)束。由試驗(yàn)結(jié)果可知，激光焊試樣的拉脫強(qiáng)度明顯優(yōu)于錫焊試樣。

4.4 微觀分析

圖7 錫焊試樣毛細(xì)管錫焊部位形貌

分析經(jīng)歷了拉脫試驗(yàn)的錫焊試樣的悶頭和毛細(xì)管。檢查錫焊試樣脫落處毛細(xì)管的錫焊部位外觀，錫焊料在虹吸的作用下宏觀上填滿了悶頭和毛細(xì)管的間隙，且在悶頭小端能明顯看到焊料。使用電子掃描顯微鏡觀察錫焊部位，整圈覆蓋長度為3.13mm，大于悶頭長度3mm，毛細(xì)管外表面錫焊部位存在局部未覆蓋情況，錫焊料的覆蓋率不能達(dá)到100%，分析結(jié)果如圖7所示。

使用電子掃描顯微鏡分析經(jīng)歷了拉脫試驗(yàn)的激光焊試樣，宏觀和微觀形貌如圖8所示，分析結(jié)果表明，激光焊焊縫未出現(xiàn)氣孔、夾雜、裂紋等缺陷。對兩種焊接試樣的宏觀和微觀分析表明，錫焊試樣存在局部未覆蓋情況，影響了焊接的強(qiáng)度，激光焊試樣焊縫成型較好，無內(nèi)部缺陷。

圖8 激光焊試樣形貌

5 結(jié)束語

激光焊和錫焊試樣進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、拉脫試驗(yàn)和微觀分析，試驗(yàn)結(jié)果表明：

a. 激光焊和錫焊試樣的彎曲和扭轉(zhuǎn)性能相當(dāng)；

b. 激光焊試樣的拉脫性能明顯優(yōu)于錫焊，為錫焊的2倍以上；

c. 錫焊試樣存在局部未覆蓋情況，影響焊接的強(qiáng)度，激光焊試樣焊縫成型較好。

綜上所述，激光焊的性能優(yōu)于錫焊，且激光焊工藝質(zhì)量可控，人為因素小，能夠確保悶頭與毛細(xì)管的連接強(qiáng)度穩(wěn)定性，適用于悶頭與毛細(xì)管的焊接。

1 李廣建. 電烙鐵錫焊技術(shù)[J]. 工程技術(shù)，2010(17)：87

2 王素環(huán)，肖雪峰，韓曉輝，等. 不銹鋼激光焊與電弧焊焊接性對比研究[J]. 焊接技術(shù)，2014，43(2)：18～20

3 陳彥賓. 現(xiàn)代激光焊接技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005

4 陳彥賓. 國防焊接技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 國防制造技術(shù)，2009(3)：9～11

5 趙耀邦，徐愛杰，姜勇，等. 激光焊接技術(shù)研究進(jìn)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

Study on Welding Method of Connector and Capillary of Gas Storage Tank

Ge Ning Wang Xiaoling Zhao Heming

(Shanghai Institute of Space Propultion, Shanghai 201112)

Through bending test, torsion test, pull-out test and microscopic analysis, the welding quality of gas storage tank connector and capillary welded by laser welding and tin welding was compared. The results show that the bending and torsion properties of laser welding and tin welding are equivalent; laser welding is superior to tin welding in pull-out performance; tin welding has partial uncovered venture, which affects the welding strength, laser welding is well formed without defects such as blowholes, inclusions and cracks.

connector；capillary；laser welding；tin welding

葛寧（1988），工程師，航空宇航推進(jìn)理論及工程專業(yè)；研究方向：空間壓力容器設(shè)計(jì)。

2018-12-24