固體發動機金屬殼體空間曲線焊縫焊接變形控制

魁國禎,王常建,賀永海,劉麗莉

(西安航天動力機械有限公司,西安710025)

摘 要:為了解決金屬殼體空間曲線焊縫變形,導致吊掛結構下塌、殼體形狀精度超差等問題,從空間曲線焊縫焊接變形的角度出發,分析變形產生的原因,制定變形控制措施。分析認為影響變形的因素主要有吊掛結構非對稱、固體發動機金屬殼體薄壁弱剛性等結構因素和焊接順序、焊接熱輸入量等工藝因素。并通過經驗總結、數值模擬、工藝試驗等手段,確定了預留抬高量、使用剛性工裝、優化焊接順序、采用TIP TIG 焊接等控制措施。經過試驗驗證,上述措施可有效減小空間曲線焊縫焊接變形。

關鍵詞: 焊接; 空間曲線焊縫; 焊接變形控制; TIP TIG 焊接

1 空間曲線焊接存在問題

越來越多的固體發動機金屬殼體涉及到空間曲線焊縫。以某型號固體火箭發動機金屬殼體為例,該殼體前后兩段分別設計有吊掛結構,與發動機金屬殼體通過對接焊縫相連接,焊縫為球體與圓柱體的空間相貫線,對接處壁厚約6 mm,殼體其余部分壁厚3 mm,焊縫長度約1 200 mm,吊掛結構典型空間曲線焊縫如圖1 所示。

圖1 吊掛結構典型空間曲線焊縫示意圖

吊掛結構在殼體組成前 (后)段后裝配焊接,采用手工TIG 焊進行多層多道次焊接。在實際生產中,多次出現了吊掛結構門洞偏轉導致前后吊掛結構不同軸,吊掛結構下塌導致吊掛頂部至殼體軸心尺寸超差及殼體直線度、圓度超差等問題,嚴重影響了產品研制及生產進度。經過數據統計和分析,上述變形均與焊接殘余應力有關,需要在焊接工序中采用合理的控制措施,來保證產品的幾何精度。

2 空間曲線焊縫變形原因分析

影響焊接變形的因素主要有材料、結構及工藝因素[1]。固體發動機殼體及吊掛結構為保證承壓、承載能力,均采用超高強度鋼,從材料性能、制造成本等方面綜合考慮,暫無更優選擇,故材料屬性引起的焊接變形在本研究中不作為重點,主要從結構和工藝兩方面分析。

從結構角度分析,吊掛結構焊縫為典型的空間曲線焊縫,為非對稱結構,先焊部位會產生熱壓縮變形而引起先焊部位的金屬形態改變,進而拉動后焊接部位產生變形[2],在宏觀上體現為吊掛結構門洞發生偏轉。另外,固體火箭發動機屬于典型的薄壁弱剛性結構,在吊掛結構焊接時,殼體一端為封頭體,剛性較強,焊接后變形較小,可忽略。而殼體另一端為壁厚3 mm 左右圓筒,焊接變形導致吊掛結構所在象限的殼體向上翹曲變形,引起殼體圓度及直線度超差,圓筒翹曲變形,其變形云圖如圖2 所示。

圖2 圓筒翹曲變形云圖

從工藝因素分析,為保證焊縫成形質量,在殼體開孔處和吊掛結構上加工了鈍邊1 mm、角度35°的Y 形坡口,采用手工TIG 焊進行多層多道次焊接。在這個過程中,多層多道次的焊接熱輸入量在焊縫中不斷累積,總體熱量大,加上吊掛結構自重,極易導致吊掛機構下塌,使得吊掛結構門洞中心至殼體軸線的尺寸很難保證。另一方面,手工焊接過程中,焊接順序未明確,不同的焊接順序產生的變形量不一致,在一定程度上增加了吊掛結構門洞偏轉、下塌及端部的翹曲變形。

3 焊接變形的控制措施

根據焊接變形產生的原因,主要考慮從反變形[3]、增加殼體剛性[4]、優化焊接順序[5]及優選焊接方法[6]4 個方面控制吊掛結構的焊接變形。

3.1 反變形

針對吊耳支座下塌變形,通過裝配時預置抬高量的方式降低下塌量。從保證焊縫坡口、焊接質量等角度分析,并結合實踐經驗,在裝配時將吊掛結構抬高2~2.5 mm,既能夠保證焊縫成形質量,同時能夠抵消一部分下塌變形。

3.2 增加殼體剛性

吊耳支座焊縫區域變形的源頭是焊縫兩側金屬在高溫下受到周圍金屬的擠壓產生的壓縮塑性變形,因此需要對焊縫兩側金屬直接進行剛性支撐,依靠外力抑制焊縫兩側金屬的壓縮塑性變形。焊接過程中,吊掛結構部位變形后,易造成吊掛結構所在象限殼體軸被拉長,而垂直于吊掛結構象限的軸被壓短,從而使殼體翹曲變形。因此,對吊掛結構所在加厚帶內部圓周進行剛性支撐,同時對加厚帶兩側進行剛性約束,可以減小殼體在焊接過程中的變形。基于上述分析,建立剛性約束有限元三維模型 (如圖3 所示),對比分析無工裝、焊后未去除工裝、焊后去除工裝3 種工況產生的焊接變形。

圖3 剛性約束有限元模型

剛性約束對吊掛結構焊后殘余變形的影響如圖4 所示。按照圖4 (a)所示的路徑從封頭一側到殼體另一側,逐一提取頂部節點y 方向位移UY,得到圖4 (b)的結果。從圖4 (b)可以看出,相比于不施加剛性約束,施加剛性約束后殼體頂部在y 方向的位移更加均勻,數值也更小,少量的變形集中在焊縫附近區域。焊接完成并冷卻到室溫后去掉工裝,吊耳支座結構殼體的焊接變形會有一定程度的增大,焊縫附近區域下塌量增大,殼體無封頭一側端面發生翹起,但是仍然遠小于不施加剛性約束的結果。由此可見,對吊掛結構殼體施加剛性約束會極大程度的降低焊接變形。因此,在吊掛結構焊接時,在吊掛結構內部利用內撐工裝與托盤,增加剛性支撐; 在加厚帶兩側,加裝抱箍,增加剛性約束。抱箍在焊接完成并去應力退火后去除。

圖4 剛性約束對吊掛結構焊后殘余變形的影響

3.3 優化焊接順序

吊掛結構焊接過程中,由于殼體不同位置剛性不同,焊接部位收縮變形后,周圍殼體會隨之變形,周圍殼體的變形程度與其剛性有關,剛性越大,變形越小; 剛性越小,變形越大。因此焊接時,適宜先焊接剛性較小的位置,周圍剛性較大的區域產生的變形就較小,對控制殼體變形量有利。鑒于此,建立如圖5 所示的有限元模型,分析不同焊接順序對殼體變形的影響,并確定最優焊接順序。將封閉的空間曲線焊縫等分為A、B、C、D 段,確定出3 種對稱跳焊順序ACBD、BDCA、DBAC 和2 種接續焊接順序ABCD、BCDA 進行計算研究。

圖5 D406A 殼體/吊耳支座有限元模型俯視圖

不同焊接順序對焊接殘余變形的影響如圖6所示。按照圖6 (a)所示的路徑,提取不同焊接順序下從封頭至殼體另一端的y 方向位移UY,得到圖6 (b)所示的結果。從圖6 (b)可以看出,5 種焊接順序下的焊接變形具有相同的趨勢,帶封頭的一端焊接變形幾乎為零,這是由于封頭體剛性較大,封頭體一側吊耳支座焊接時,受封頭體的剛性約束,產生了較小的焊接變形。遠離封頭一側的殼體端面發生翹曲變形,呈鴨梨形,其端面上部發生翹起。吊耳支座及焊縫附近母材發生下塌變形。比較5 種焊接順序下模型頂部的變形可知,模型頂部的變形趨勢大致相同,在該路徑上吊耳區域下塌,而遠離焊縫的封頭一側變形很小,殼體另一側則發生上翹。當焊接順序為BCDA、BDCA 和DBAC 時殼體一側翹起的程度較小,當焊接順序為ABCD、ACBD 時翹起程度則較大。由計算結果可知,采用BDCA 時,吊耳支座結構殼體變形最小。

圖6 不同焊接順序對焊接殘余變形的影響

3.4 優選焊接方法

TIP TIG 焊接是熱絲TIG 焊接的一種,由奧地利人ING SIEGFRIEDPLASCH 發明[7]。此焊接方法是在傳統TIG 焊接的基礎上,將填充焊絲送入焊接熔池之前,通過焊絲伸出部分(送絲嘴和熔池之間的焊絲)的電阻效應產生的熱量將焊絲進行預熱,并在專用送絲機振動模塊的高頻率振動下送入熔池,大大加快填充絲的熔化速度,提高熔敷率的同時,充分攪拌熔池,起到便于氣孔逸出、細化組織晶粒、提高接頭力學性能的作用[8]

本研究利用與吊掛結構厚度相同的平板,對TIP TIG 焊接超高強度鋼所能達到的性能、產生的變形進行試驗分析。TIP TIG 焊接后試板進行調質處理,并測試了焊接接頭的抗拉強度與彎曲角,焊接接頭抗拉強度均值為1 578 MPa,彎曲角均值為39°,焊接后接頭的力學性能滿足設計指標要求(抗拉強度大于1 500 MPa,彎曲角大于35°)。對焊接后的試板進行了變形程度測量,結果如圖7所示。從圖7 可看出,TIP TIG 焊接后試板基本沒有角變形,而手工TIG 焊接產生了接近7°的角變形。分析認為,TIP TIG 熔敷效率遠高于TIG焊接[9],對于同樣厚度的試板,TIP TIG 焊接僅需焊接3 層即可滿足標準要求,而TIG 焊接需要焊接6 層才能滿足要求,焊接層數的減少,降低了焊縫中總的熱輸入量,從而減小了焊接變形。另外,TIP TIG 焊接線能量也小于手工TIG 焊接[10]。根據焊接時采用的工藝參數可知,TIP TIG 焊接時,線能量約為6 900 J/cm,手工TIG 焊接時,線能量約為14 500 J/cm。TIP TIG 焊接單層產生的變形量小于手工TIG 焊接單層產生的變形量。

圖7 平板對接焊縫變形對比圖

對上述分析結果,在空間曲線焊縫上加以驗證。焊接時采用內撐工裝固定,根據確定的焊接順序,分別采用TIG 焊和TIP TIG 焊對空間曲線焊縫進行焊接。其焊接結果對比如圖8 所示。由圖8 可見,TIP TIG 焊接變形明顯小于手工TIG焊接產生的變形。經測量,手工TIG 試驗件圓筒端部直徑差達到20 mm,TIP TIG 焊接試驗件圓筒端部直徑差僅有6 mm。綜上所述,TIP TIG 焊接方法可以取代手工TIG 焊接,作為吊掛結構焊接的首選焊接方法之一,既能夠滿足產品的各項性能指標要求,同時能夠降低焊接變形。

圖8 空間曲線焊縫TIP TIG 焊接與TIG 焊接結果對比

4 結 論

針對固體發動機金屬殼體研制生產中遇到的空間曲線焊接變形導致產品幾何精度不能滿足設計要求的現狀,筆者從焊接變形產生的原因進行分析,并根據分析結果制定了控制措施,主要為:

(1)空間曲線焊縫產生較大焊接變形的影響因素主要有結構因素與工藝因素。結構因素主要體現在吊掛結構焊縫的不對稱性和固體發動機金屬殼體的薄壁弱剛性; 工藝因素主要體現在手工TIG 的多層多道焊接和焊接順序的不明確。

(2)針對產生變形的原因,分別從反變形、增加殼體剛性、優化焊接順序、優選焊接方法4 個方面采取了措施。在反變形方面,綜合考慮坡口形式和焊接質量要求,并結合實踐經驗,確定將吊掛結構在裝配時抬高2~2.5 mm,以抵消焊接下塌量。

(3)通過有限元模擬得出,在殼體加厚帶內增加內撐工裝,在加厚帶兩側裝配抱箍,從而增加殼體剛性,降低焊接變形; 在焊接順序方面,從靠近圓筒端部開始進行對稱跳焊,能夠明顯降低焊接變形,并得到了最優的焊接順序。

(4)通過對TIP TIG 焊接與手工TIG 焊接方法的對比試驗,發現TIP TIG 焊接方法在焊接接頭各項指標滿足標準要求的同時,焊接熱輸入量較手工TIG 焊小,相對應的,產生的焊接變形更小。因此,在固體發動機金屬殼體空間曲線焊縫的焊接中采用TIP TIG 焊接方法可以降低焊接變形,同時能夠提高生產效率。

經生產實踐驗證,上述變形控制措施能夠有效控制固體發動機金屬殼體空間曲線焊縫焊接變形。

參考文獻:

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Control of Solid Rocket Motor Metal Shell Space Curve Weld Deformation

KUI Guozhen,WANG Changjian,HE Yonghai,LIU Lili
(Xi'an Aeroflight Power Machinery Co., Ltd., Xi'an 710025, China)

Abstract: In order to solve the problems that the metal shell with space curve weld is prone to the suspended structure collapse and the shape accuracy which is out of tolerance,the causes of deformation are analyzed and the deformation control measures are developed from the perspective of the welding deformation of space curve weld.The analysis shows that the main influencing factors of deformation are the asymmetry of suspended structure,the thin-wall and the weak rigidity of the solid engine metal shell,the welding sequence,the welding heat input and other technological factors.Through the experience summary,numerical simulation and process test,the control measures such as reserved height,rigid tooling,welding sequence optimization and TIP TIG welding are determined.The experimental results show that the measures above can effectively reduce the deformation of space curve weld.

Key words: welding; space curve weld; welding deformation control; TIP TIG welding

中圖分類號: TG113.263

文獻標識碼: B

DOI: 10.19291/j.cnki.1007-3938.2019.6.007

作者簡介: 魁國禎 (1989—),男,焊接工程師,主要從事固體火箭發動機焊接工藝等工作。

收稿日期:2019-01-23

編輯:謝淑霞

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