星船適配器環(huán)縫焊接工藝改進(jìn)

潘彥云，武文，賈志欣

天津航天機(jī)電設(shè)備研究所 天津 300450

衛(wèi)星適配器自從由結(jié)構(gòu)焊接代替鑄造后，成品率基本在95%～98%，經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊都能達(dá)到100%合格。但在材料的選用上都留有很大的加工余量，以防止因焊接變形而導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。另外設(shè)計(jì)要求焊縫要達(dá)到QJ 2698A—2011的Ⅱ級(jí)焊縫，100%X射線檢測(cè)。為了保證焊接質(zhì)量，在外圈單V形坡口焊接完成進(jìn)行車(chē)床清根后，做一次X射線檢測(cè)，焊接完成后再進(jìn)行一次最終的X射線檢測(cè)。不僅提高了經(jīng)濟(jì)成本，也延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，影響了加工效率。為了解決這些問(wèn)題，以進(jìn)一步規(guī)范適配器焊接制造工藝，通過(guò)多次試驗(yàn)，對(duì)焊接坡口、焊接方法、焊接參數(shù)都做了調(diào)整。生產(chǎn)出的適配器都優(yōu)于之前工藝，生產(chǎn)出的產(chǎn)品，更加規(guī)范了適配器的焊接工藝。

1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

衛(wèi)星、飛船適配器為焊接結(jié)構(gòu)件，由上法蘭、錐筒段（或直筒段）、下法蘭焊接而成（見(jiàn)圖1），直徑一般約φ2000mm，高300～500mm。其中法蘭和筒段自身也為板材拼焊件，本文只討論上下兩條環(huán)形焊縫。

圖1 適配器焊接結(jié)構(gòu)

2 5A06鋁合金的性質(zhì)及焊接特點(diǎn)

5A06是Al-Mg系合金中的典型合金，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐蝕性良好、焊接性強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天航空制造中，但是鋁鎂合金在焊接中易產(chǎn)生氣孔、裂紋、夾渣及未焊透等缺陷，而且線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量及性能。通過(guò)近兩年的研究，裂紋和夾渣都得到了有效控制，當(dāng)前影響焊縫質(zhì)量的主要因素，就是根部的未焊透及氣孔，補(bǔ)焊最多的也是這兩種缺陷。

3 產(chǎn)生未焊透和氣孔的主要原因分析

（1）未焊透 適配器主要缺陷是根部未焊透，因?yàn)檫m配器是由上下法蘭和筒段三部分組成。由于材料厚度都在30mm以上，筒段在滾制過(guò)程中圓柱度≥5mm，車(chē)制的坡口不在中性層上，因此裝配定位焊時(shí)，筒段與法蘭焊接易發(fā)生錯(cuò)邊現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接時(shí)難以熔透，產(chǎn)生未焊透缺陷。

上下2條環(huán)焊縫焊接坡口形式如圖2所示。錯(cuò)邊產(chǎn)生過(guò)程如圖3所示。

（2）氣孔 ①材料特性：由于液態(tài)鋁在高溫時(shí)能吸收大量的氫，冷卻時(shí)氫在其中的溶解度急劇下降，固態(tài)時(shí)又不溶解氫，同時(shí)鋁合金密度小，導(dǎo)熱性很強(qiáng)，不利于氣體的溢出，因此鋁合金焊接易產(chǎn)生氣孔。②氬氣的純度和流量：氬氣的流量是影響熔池保護(hù)效果的一個(gè)重要參數(shù)。保護(hù)氣體流量過(guò)小，氬氣挺度不夠，排除周?chē)諝馊?，保護(hù)效果差；保護(hù)氣體流量大，不僅浪費(fèi)氬氣而且會(huì)引起噴出氣流層流區(qū)縮短，穿流區(qū)擴(kuò)大，將空氣卷入保護(hù)區(qū)，反而降低保護(hù)效果，因此應(yīng)選擇合適的氬氣流量，氬氣流量與噴嘴直徑大小有關(guān)。③氬氣純度對(duì)焊接質(zhì)量也有較大影響，氬氣純度低，雜質(zhì)多，可增加弧柱氣氛中氫的含量，同時(shí)也降低“陰極霧化”的效果[1]。

圖2 焊接坡口形式

圖3 錯(cuò)邊產(chǎn)生過(guò)程

（3）其他影響未焊透及氣孔的因素 ①環(huán)境濕度≤70%，盡量控制在65%以下。②焊件坡口的選擇及鈍邊的厚度、間隙。③焊接方法及弧長(zhǎng)的控制，焊接參數(shù)的合理設(shè)置。

4 適配器改進(jìn)后的工藝及新型工藝的對(duì)比

4.1 以某型號(hào)衛(wèi)星適配器為例

上下法蘭為φ1600mm、φ1930mm，厚度為80mm；筒段高度為480mm，厚度為35mm，如圖4所示，焊縫為Ⅱ級(jí)焊縫100%X射線檢測(cè)。

圖4 某型號(hào)衛(wèi)星適配器

4.2 坡口的選擇

（1）舊工藝 采用雙V形坡口，如圖5所示，坡口角度為45°，鈍邊為2mm，間隙為2.5mm，采用這種坡口，當(dāng)初是為了TIG焊打底時(shí)能有效地焊透，MIG焊接時(shí)焊槍的噴嘴能下降到焊縫的合適位置，保證焊道里的空氣能被氬氣有效排出，保證焊縫質(zhì)量，但是這里要提出的是，筒段與上下法蘭的配合精度要求很高。①首先法蘭尺寸是機(jī)械加工出來(lái)的，精度是可以保證的，但筒段是由板材滾制而成，直徑誤差最好時(shí)也只能控制在3～5mm，這時(shí)筒段在車(chē)削坡口時(shí)，鈍邊很難保證都在筒段的中性層上，故而造成局部的坡口錯(cuò)邊，同時(shí)板材余量要放大，至少要保證筒段內(nèi)外各有7mm的加工量，伴隨著法蘭對(duì)接處的余量也隨之加大，無(wú)形之中加大了經(jīng)濟(jì)成本和焊接工作量，增加了產(chǎn)生焊接缺陷的機(jī)會(huì)。②這種2mm鈍邊還要留有2.5mm間隙，對(duì)于對(duì)接點(diǎn)焊定位時(shí)也有很大的難度，原本就有錯(cuò)邊，這種“尖對(duì)尖”的懸空組對(duì)在焊接時(shí)往往會(huì)加大產(chǎn)生錯(cuò)邊的概率，使焊件的根部未焊透及氣孔的產(chǎn)生大大提高。

圖5 舊工藝雙V形焊接坡口

（2）新工藝 ①通過(guò)翻閱資料以及借鑒其他厚壁件對(duì)接坡口的方法，對(duì)坡口的角度以及先后順序、間隙都做了改進(jìn)。首先坡口上使用了偏心的雙V形坡口，而且為6:4的比例，即先在筒段和上下法蘭的外部，車(chē)削（35×0.6mm=21mm）深為21mm的30°V形坡口，間隙放大到3.2mm，剩余厚度（35-21mm=14mm）14mm都作為鈍邊，暫時(shí)不車(chē)削坡口。②筒段滾制完成后，內(nèi)部可以使用圓管進(jìn)行內(nèi)襯，直徑誤差能有效控制在1～2mm，這時(shí)再車(chē)削坡口，這樣能大大減少發(fā)生錯(cuò)邊的概率。如果有錯(cuò)邊，這時(shí)就要進(jìn)行測(cè)量保留數(shù)據(jù)，如果有超出14mm，以最大的數(shù)據(jù)進(jìn)行保留。③圓度保證了，鈍邊加大了，也降低了懸空配合組焊的難度，同時(shí)坡口控制在60°左右，筒段內(nèi)外壁余量降低到3mm，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了產(chǎn)生焊接缺陷的概率。

改進(jìn)后的坡口及焊接過(guò)程如圖6所示，第一次坡口如圖7所示，實(shí)物如圖8所示。

4.3 焊接方法及X射線檢測(cè)

1）首先要對(duì)工件進(jìn)行焊前清理，采用化學(xué)物理方法清洗后（見(jiàn)表1），必須在24h內(nèi)進(jìn)行焊接，而且在焊前還要用鋼絲刷再進(jìn)行一次清理，然后4h內(nèi)必須完成焊接。

2）打底焊采用TIG焊進(jìn)行施焊，但是在焊接參數(shù)和預(yù)熱溫度上，都有了很大的區(qū)別，見(jiàn)表2。

3）填充焊采用MIG焊進(jìn)行填充，焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

圖6 改進(jìn)后的坡口

圖7 第一次開(kāi)坡口

圖8 第一次開(kāi)坡口實(shí)物

4）在進(jìn)行填充焊時(shí)，由于新工藝的坡口夾角由原來(lái)的90°變?yōu)?0°，而且深度加大，使焊槍很難下降到合適的高度，為了解決這個(gè)難題，對(duì)MIG焊嘴進(jìn)行了改造（見(jiàn)圖9），并配備焊接變位機(jī)，由于焊槍不動(dòng)，工件在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以使電弧電壓，弧長(zhǎng)更加穩(wěn)定，能有效地把焊道內(nèi)的空氣排出，杜絕了氬氣紊流現(xiàn)象，同時(shí)降低了弧柱氣氛中的氫含量，提高了“陰極霧化”效果，也減少了焊接接頭，大大提高了焊縫質(zhì)量。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，焊縫質(zhì)量都能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 噴嘴改造前后對(duì)比

5）在筒段與上下法蘭、外部焊接完成后，舊工藝首先要進(jìn)行背部的機(jī)械清根，由于筒段鈍邊局部不在中性層上，以及對(duì)接定位焊時(shí)的誤差，導(dǎo)致筒段與法蘭發(fā)生錯(cuò)邊，此時(shí)無(wú)法確定背面根部是否清理干凈，故要進(jìn)行一次X射線檢測(cè)進(jìn)行判斷，這樣一來(lái)成本提高，周期變大，直到完全沒(méi)有問(wèn)題后再完成筒段與上下法蘭的內(nèi)圈兩道焊縫，最終還要進(jìn)行一次X射線檢測(cè)，作為產(chǎn)品檢驗(yàn)報(bào)告。

表1 鋁鎂合金化學(xué)清理方法

表2 打底焊參數(shù)（米勒700焊機(jī)）

表3 填充焊參數(shù)（福尼斯TPS4000）

6）新工藝此時(shí)清根和二次開(kāi)坡口合為了一道工序，方法使用R5mm×60°的成形刀進(jìn)行開(kāi)坡口，坡口深度要以之前記錄的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，理論是14mm（如有大于14mm寬度的鈍邊，以寬的為基準(zhǔn)再加上3mm），這就是所要車(chē)制坡口的實(shí)際深度，如圖10所示。按照這套方法可以達(dá)到滿意的清根效果，不僅有效地去除了未焊透，還杜絕了焊瘤、燒穿、未熔合等焊接缺陷，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，這時(shí)可以省去第一次X射線檢測(cè)判定工序，直接進(jìn)行筒段與上下法蘭內(nèi)圈的兩道焊縫的焊接，完成后只做最終X射線檢測(cè)，一次合格率提升到98%～100%。實(shí)物如圖11所示。

圖10 第二次開(kāi)坡口

圖11 某型號(hào)適配器實(shí)物

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在衛(wèi)星、飛船適配器產(chǎn)品的研制中，舊工藝需進(jìn)行二次車(chē)削獨(dú)立開(kāi)坡口，一次車(chē)削清根，兩道X射線檢測(cè)；而采用新工藝，只需進(jìn)行一次車(chē)削獨(dú)立開(kāi)坡口，一次車(chē)削開(kāi)坡口兼清根，僅做一次X射線檢測(cè)。采用新工藝后，節(jié)約了生產(chǎn)成本，減少了工序，縮短了生產(chǎn)周期，提高了產(chǎn)品合格率，同時(shí)為同類(lèi)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的研制積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)成果已應(yīng)用在“嫦娥”系列、空間站系列、北斗系列等多個(gè)國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)任務(wù)上。