喷管壳体对接环缝真空电子束焊工艺研究

作者:唐虹; 刊名:焊接技术 上传者:赵晗汀

【摘要】研究了某喷管壳体对接环缝的真空电子束焊工艺,该工艺主要包括接头形式设计、工装夹具设计以及焊接工艺参数的确定。通过一系列工艺试验得出了喷管壳体对接环缝的电子束焊最优工艺参数为:加速电压50~60 k V,聚焦电流1.85 A,束流强度60 m A,焊接速度1 200 mm/min。

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0引言真空电子束焊是在真空中以高速、密集的电子束流轰击待焊件,将电子的动能迅速转变成热能,熔化焊件金属,从而完成焊接的一种新工艺[1]。真空电子束焊具有电子束穿透能力强、能量密度高、焊接速度快、热影响区小、焊接变形小、焊缝深宽比大、焊缝质量好等特点[2]。在航天领域,真空电子束焊技术可用于固体火箭发动机燃烧室壳体、喷管壳体及外挂件等零件的焊接。在以往焊接喷管壳体对接环缝时,均采用手工氩弧焊。该工艺具有诸多缺点:需要开坡口才可焊接,且焊接效率低,焊接一次合格率低,变形量大。在使用真空电子束焊方法焊接喷管壳体环缝时,主要研究坡口设计、工装夹具设计、焊接工艺参数的优化。1焊接设备及材料研究所采用的真空电子束焊机最高电子束束流强度为200 m A,最大加速电压为150 k V,工作室真空度≤0.07 Pa,抽真空时间≤30 min。喷管壳体由两部分组焊而成,材料均为30Cr Mn-Si A,对接处厚度为4.7 mm,30Cr Mn Si钢属于低合金高强度钢,其化学成分见表1。2喷管壳体对接环缝焊接工艺方法2.1接头形式设计喷管壳体为圆锥形筒体,圆锥半角为24°。在焊接回转体环缝时,一般采用电子枪不动工件转动的方式进行焊接。共采用2种接头形式进行对比试验,即当电子束方向垂直于圆锥轴线方向焊接时,接头形式如图1a所示,液态金属熔池由于重力作用会顺着圆锥表面流动,致使熔池不对称,在冷却结晶后焊缝背面成形质量并不好,出现了严重的咬边缺陷;接头形式如图1b所示,即焊缝对接面垂直于圆锥面,并且使电子束方向与接头对接面方向始终保持在同一直线上,发现焊后焊缝表面成形美观,不再出现咬边缺陷。综合2种接头形式试验效果,最终选定了后者。2.2工装夹具设计在开始焊接前,必须将待焊工件固定才可,需要设计制作专用的装配工装。如图2所示,所采用的装配工装由前堵盖、后堵盖、拉杆及固定螺栓组成。前堵盖与焊机转台使用螺栓连接,待焊工件则由前后堵盖及拉杆、螺栓夹紧。2.3焊接工艺参数的选择真空电子束焊的工艺参数主要包括真空度、加速电压、束流强度、焊接速度、聚焦电流、焦点位置、工作距离以及电子束扫描形式等。2.3.1真空度由于焊缝质量要求较高,应在高真空度下进行焊接,以防止金属元素的氧化和烧损,减少污染。在焊接时要求真空度不低于0.3 Pa。2.3.2加速电压当加速电压升高,焊缝熔深增大,焊缝横截面深宽比增大。喷管壳体壁厚为4.7 mm,经验证加速电压控制在50~60 k V范围内焊接效果较好。2.3.3束流强度电子束的功率由束流强度与加速电压共同决定。当加速电压维持不变,为了保证不同待焊件的焊接质量,需要调整束流强度值。当束流强度增大时,熔深和熔宽均会增加。当加速电压在50~60 k V范围之间时,束流强度范围在40~100 m A之间做大范围调整,以便找到最优参数。2.3.4焊接速度焊接速度和电子束功率共同决定着熔深、熔宽以及焊缝形状。焊接速度增加会使焊缝变窄,熔深减小,焊接速度的大小对焊缝的内外成形及焊缝的质量影响较大。2.3.5聚焦电流在真空电子束焊时,相对于待焊件表面,电子束的聚焦位置有上焦点、下焦点和表面焦点。当焊件厚度大于10 mm时,通常采用下焦点焊,焦点在图2装配工装示意图拉杆螺母前堵盖后堵盖(a)(b)表1 30Cr Mn Si A的化学成分(质量分数)(%)C Si Mn Ni S P0.28~0.35 0.90~0.12 0.80~1.10<0.25≤0.030≤0.030图1 2种接头形式示意图电子束方向24°24°电子束方向焊缝熔深的30%处。文中待焊件厚度为4.7

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