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表面張力貯箱電子束焊接設(shè)計(jì)要求及與焊縫熔深之間關(guān)系

來源:火箭推進(jìn) 瀏覽 1108 次 發(fā)布時(shí)間:2023-12-12

通過研究對(duì)接式和搭接式焊縫試板電子束流與焊縫熔深之間的關(guān)系、焊接順序與角變形高度之間的關(guān)系,得出了表面張力貯箱前(后)艙推進(jìn)劑管理裝置上(下)組件電子束焊接工藝規(guī)范,即加速電壓為60 kV,焊接速度為500 mm/min,工作距離為300 mm,電子束流為6 mA,聚焦電流為2.11 A,電子束偏移量為0.1 mm的焊接工藝規(guī)范。采用該工藝規(guī)范焊接的表面張力貯箱前(后)艙推進(jìn)劑管理裝置上(下)組件焊后和振動(dòng)試驗(yàn)后的泡破點(diǎn)實(shí)測(cè)值滿足設(shè)計(jì)要求。該表面張力貯箱已用于某型號(hào)上面級(jí)液體發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)已通過了地面熱試車考核。


表面張力貯箱性能優(yōu)越、可靠性高,廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和推力裝置之中,已經(jīng)成為軌姿控液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和推力裝置實(shí)用的主流貯箱。貯箱在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和推力裝置中是用來存儲(chǔ)和管理推進(jìn)劑的,其主要作用是:在一定的流量和加速度條件下,為發(fā)動(dòng)機(jī)或推力裝置各個(gè)階段的工作供應(yīng)不夾氣的推進(jìn)劑;防止、阻尼以及衰減推進(jìn)劑的大幅晃動(dòng)或其它有害運(yùn)動(dòng);保持和穩(wěn)定貯箱內(nèi)推進(jìn)劑的質(zhì)心位置,以防止發(fā)生過大偏移;在意外情況或再次加注推進(jìn)劑時(shí),確保貯箱不夾液排氣。表面張力貯箱的核心部件是安裝在貯箱殼體內(nèi)部的推進(jìn)劑管理裝置,該裝置根據(jù)使用的毛細(xì)元件,分為篩網(wǎng)式、孔板式和網(wǎng)板組合式推進(jìn)劑管理裝置。篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置采用編織的不銹鋼或純鈦篩網(wǎng)組件作為多孔毛細(xì)元件;孔板式推進(jìn)劑管理裝置采用激光或電子束打孔的薄板組件作為多孔毛細(xì)元件;網(wǎng)板組合式推進(jìn)劑管理裝置采用篩網(wǎng)和孔板組件作為多孔毛細(xì)元件。本文介紹的表面張力貯箱采用篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置,該裝置是通過電子束焊接成型的。


表面張力貯箱電子束焊接設(shè)計(jì)要求


電子束焊接具有能量密度高,熱輸入量小,能量易于控制等特點(diǎn),表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置采用電子束焊接完成,焊接表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置時(shí),要求焊接變形量小,焊接精度高,焊接成型的篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置要求滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖見圖1,它由下壓板、下普通支板等構(gòu)成,材料為1Cr18Ni9Ti,圖中的粗黑線為電子束焊縫位置。表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置組件通過振動(dòng)試驗(yàn)后泡破點(diǎn)值Δpcr≥5.6 kPa。

圖1后艙管理裝置下組件結(jié)構(gòu)及電子束焊縫位置示意圖


要獲得表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置組件電子束焊接工藝規(guī)范,需采用與產(chǎn)品厚度和材料一致的標(biāo)準(zhǔn)試板進(jìn)行電子束焊接工藝試驗(yàn),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試板焊縫熔深的檢測(cè)結(jié)果,以確定準(zhǔn)確、合適的表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置組件電子束焊接工藝規(guī)范。


電子束焊接工藝試驗(yàn)


表面張力貯箱前(后)艙篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置上(下)組件焊縫分為對(duì)接式和搭接式焊縫,表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置組件焊后和振動(dòng)試驗(yàn)后的泡破點(diǎn)值Δpcr≥5.6 kPa,為此,對(duì)接焊縫熔深h對(duì)接≥1 mm,搭接焊縫熔深h搭接≥0.8 mm。為了減少電子束焊接過程中的熱輸入量,在每個(gè)支板組件的邊緣通過銑切機(jī)加工,加工出了厚度h=0.5 mm,寬度l=1 mm的臺(tái)階。


篩網(wǎng)泡破點(diǎn)


當(dāng)采用篩網(wǎng)作為表面張力貯箱推進(jìn)劑管理裝置的毛細(xì)元件時(shí),篩網(wǎng)所能維持的最大靜壓力即為篩網(wǎng)的泡破點(diǎn)值Δpcr,也就是氣體穿過篩網(wǎng)時(shí)所需的壓差,其關(guān)系式見公式1:

式中:DBP為篩網(wǎng)的有效孔徑,mm;Δpcr為篩網(wǎng)的泡破點(diǎn)值,kPa;σ為工作介質(zhì)的表面張力,N。


由公式1可知,篩網(wǎng)泡破點(diǎn)值理論上與工作介質(zhì)的表面張力和篩網(wǎng)的有效孔徑有關(guān),在工作介質(zhì)一定的情況下,控制電子束焊接過程中篩網(wǎng)孔徑的變化是確保電子束焊接后篩網(wǎng)泡破點(diǎn)值滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。


結(jié)論


在研究對(duì)接式和搭接式焊縫試板電子束焊接工藝電子束流與焊縫熔深之間關(guān)系以及焊接順序與角變形量之間關(guān)系的基礎(chǔ)之上,得出了電子束焊接表面張力貯箱前(后)艙推進(jìn)劑管理裝置上(下)組件的工藝規(guī)范,即加速電壓為60 kV,焊接速度為500 mm/min,工作距離為300 mm,電子束流為6 mA,聚焦電流為2.11 A,電子束偏移量為0.1 mm的焊接工藝規(guī)范。采用該工藝規(guī)范焊接的表面張力貯箱前(后)艙推進(jìn)劑管理裝置上(下)組件焊后的驗(yàn)收和鑒定量級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)后的泡破點(diǎn)實(shí)測(cè)值滿足設(shè)計(jì)要求。由此說明:表面張力貯箱推進(jìn)劑管理裝置電子束焊接工藝及其方法是合理可行的,焊接工藝規(guī)范是合適的、正確的。采用該工藝規(guī)范焊接的表面張力貯箱已用于某型號(hào)上面級(jí)液體發(fā)動(dòng)機(jī),該發(fā)動(dòng)機(jī)已通過了地面熱試車考核。


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