田志杰　劉　娟　李聰穎　曹　娜　馬麗翠　李　蕊

首都航天機(jī)械公司　北京　100076

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大直徑2A14鋁合金壓力容器橢圓形封頭結(jié)構(gòu)研究

田志杰*劉娟李聰穎曹娜馬麗翠李蕊

首都航天機(jī)械公司北京100076

為了滿足運(yùn)載火箭減重需要及大直徑2A14鋁合金壓力容器橢圓形封頭等匹配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用母材與焊縫分別設(shè)計(jì)的方式，在0.56MPa承載條件下，計(jì)算得到母材設(shè)計(jì)厚度為4.2mm，焊接區(qū)設(shè)計(jì)厚度為7.0mm。采用單側(cè)減薄的加工工藝可獲得符合要求的不等厚零件，焊縫加厚區(qū)的寬度不小于40mm。Φ3350mm直徑鋁合金封頭結(jié)構(gòu)采用8塊分瓣、45°均分的形式，封頭頂蓋直徑為Φ1400mm。

鋁合金封頭低匹配焊接

運(yùn)載火箭貯箱是一種特殊的壓力容器，隨著我國航天工業(yè)的發(fā)展，對(duì)運(yùn)載火箭貯箱的需求及安全性要求越來越高，而封頭是壓力容器的重要承壓部件，對(duì)封頭的成形精度要求也相應(yīng)提高。在壓力容器設(shè)計(jì)中，封頭種類分為半球形、橢圓形、碟形、球冠形、錐形、平底形，其中橢圓形封頭作為一種受力良好、結(jié)構(gòu)特性優(yōu)越的封頭型式雖然被廣泛采用[1,2]，但受力情況復(fù)雜[3-9]。封頭加工工藝一般分為整體成形與分瓣成形，整體成形主要有沖壓成形與旋壓成形以及爆炸成形、氣(液)壓膨脹成形等，分瓣成形工藝指的是分瓣壓制與拼焊成形[10-12]。

隨著新材料的研發(fā)，封頭的材料也多種多樣[13-15]，現(xiàn)役型號(hào)運(yùn)載火箭貯箱封頭材質(zhì)為2A14鋁合金，該鋁合金為Al-Cu-Mg-Si系析出強(qiáng)化型高強(qiáng)鍛造鋁合金。具有高強(qiáng)低塑特性，有應(yīng)力腐蝕及晶間腐蝕傾向，可焊性較差，焊縫與熱影響區(qū)容易產(chǎn)生過燒與裂紋，接頭延伸率低。大直徑鋁合金封頭分瓣壓制、拼焊成形時(shí)，焊接結(jié)構(gòu)的性能在整個(gè)封頭的制造過程中顯得尤為重要，設(shè)計(jì)時(shí)必須與工藝相結(jié)合。

焊接接頭焊縫與母材的力學(xué)性能差異會(huì)導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度失配[16-17]。2A14鋁合金熔焊焊縫為低匹配結(jié)構(gòu)，接頭強(qiáng)度系數(shù)僅為0.6。為提高低匹配接頭的承載能力，要以焊縫與母材承載能力相等為目標(biāo)，進(jìn)行低匹配對(duì)接接頭的等強(qiáng)設(shè)計(jì)。

1　設(shè)計(jì)條件

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)板材為2A14鋁合金，其化學(xué)成分列見表1[18]。材料力學(xué)性能見表2[19]。

表1　2A14母材化學(xué)成分

表2　2A14鋁合金的力學(xué)性能

1.2封頭設(shè)計(jì)要求

封頭直徑為Φ3350mm，橢圓長短軸比值為1.6，計(jì)算壓力為0.56MPa，分瓣壓制與拼焊成形。為達(dá)到運(yùn)載火箭減重的目的，減少冗余重量。

依據(jù)文獻(xiàn)1，設(shè)計(jì)溫度為常溫，材料許用應(yīng)力：

[σ]t=430÷3=143 MPa

2　母材厚度計(jì)算及設(shè)計(jì)

2.1計(jì)算

封頭母材計(jì)算厚度按照下式計(jì)算：

(1)

式中，K為橢圓形封頭形狀系數(shù)，由文獻(xiàn)1查得，該值為0.76；pc為計(jì)算壓力，MPa；δh為封頭計(jì)算厚度，mm；Di為封頭內(nèi)徑，mm； [σ]t溫下材料許用應(yīng)力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，雙面兩道焊接，100%無損檢測(cè)，此值為1.0。

將各設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)代入式(1)，可得：

當(dāng)橢圓封頭長短軸比值≤2時(shí)，其有效厚度不小于3350×0.15%,即5.025mm[1]。

2.2設(shè)計(jì)

依據(jù)文獻(xiàn)1，設(shè)計(jì)厚度δdh為計(jì)算厚度δh與腐蝕裕量C2之和；名義厚度δnh為設(shè)計(jì)厚度δdh加上材料厚度負(fù)偏差C1后向上圓整至材料規(guī)格的厚度。依據(jù)運(yùn)載火箭貯箱服役特點(diǎn)，貯箱充入推進(jìn)劑燃料后，幾十個(gè)小時(shí)內(nèi)就會(huì)發(fā)射，故腐蝕裕量C2取0mm，5～6mm厚鋁合金材料厚度負(fù)偏差0.32mm。此封頭母材由厚板化銑減薄而成，化銑誤差為0.2mm，受火箭減重需求，設(shè)計(jì)厚度δdh為5.6mm。

3　焊縫厚度計(jì)算

3.12A14鋁合金焊接接頭分析

熱處理可強(qiáng)化鋁合金接頭的性能不如母材好，抗蝕性、強(qiáng)度及塑性也比母材低。焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)可發(fā)生在三個(gè)部位：焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)，見圖1。焊縫的性能主要取決于焊絲的成分、焊接缺陷、熔合比以及成形系數(shù)；熔合區(qū)的主要問題是晶粒長大和過燒；熱影響區(qū)的主要問題是退火軟化和過時(shí)效。

圖1　鋁合金熱處理強(qiáng)化合金焊接接頭的組織

焊縫是焊接過程中接頭處于熔化的狀態(tài)部分；熱影響區(qū)是焊接過程中母材因受熱的影響，雖然未熔化但發(fā)生金相組織和機(jī)械性能變化的區(qū)域；熔合區(qū)是在焊接接頭中，焊縫向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域。熔合區(qū)的溫度處于固、液相線間，溫度梯度大，金屬處于部分熔化狀態(tài)，晶粒粗大，化學(xué)成份和組織不均勻。冷卻后的組織為過熱組織，使該區(qū)塑性和韌性下降，性能惡化。成為焊接接頭的薄弱地帶。而且此處接頭斷面發(fā)生變化，引起應(yīng)力集中，很大程度上決定著焊接接頭的性能。在力學(xué)性能試驗(yàn)中，試片拉斷的部位往往發(fā)生在這一區(qū)域。

3.22A14鋁合金焊接接頭特點(diǎn)

(1) 2A14鋁合金焊后強(qiáng)度低，焊后熱影響區(qū)軟化明顯。采用鎢級(jí)氬弧焊焊接后，焊縫強(qiáng)度僅為基體金屬強(qiáng)度的60%。由于貯箱結(jié)構(gòu)尺寸大，不可能進(jìn)行焊后熱處理，為彌補(bǔ)焊接區(qū)的強(qiáng)度下降，采取局部增加焊接區(qū)厚度來補(bǔ)償。

(2) 2A14鋁合金焊接熱裂紋傾向嚴(yán)重。經(jīng)焊接加熱后，焊縫金屬沿晶界的低熔點(diǎn)共晶體將重新熔化，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)形成過燒，并發(fā)展為熱裂紋。焊接熱輸入的控制是防止過燒的有效手段。

(3) 2A14對(duì)應(yīng)力集中十分敏感，焊縫表面的缺陷，焊縫正面、反面余高的急劇過渡都可能成為應(yīng)力集中源，從而顯著降低貯箱的承載能力。

3.32A14鋁合金焊接接頭厚度設(shè)計(jì)

2A14鋁合金接頭強(qiáng)度系數(shù)為0.6，是典型的低匹配結(jié)構(gòu)，封頭采用雙面兩道焊接，100%X射線無損檢測(cè)(按航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ2698，Ⅰ級(jí)焊縫合格)，接頭處材料許用應(yīng)力：

[σ]t=143×0.6=85.8MPa

利用式(1)，計(jì)算得到接頭處計(jì)算厚度：

接頭處設(shè)計(jì)厚度δdh2為8.32mm，8～10mm厚鋁合金材料厚度負(fù)偏差0.5mm。此封頭母材由厚板化銑減薄而成，化銑誤差為0.2mm，受火箭減重需求，設(shè)計(jì)厚度δdh為9.0mm。

4　封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1母材與焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低匹配焊縫余高及蓋面焊道寬度的適當(dāng)增加，能夠降低焊縫內(nèi)部應(yīng)力，有助于低匹配接頭焊縫區(qū)承載能力的提高。依據(jù)2.2及3.3計(jì)算的厚度，為了得到等匹配的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及良好的受載狀態(tài)，宜采用內(nèi)外對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式，見圖2(a)，同時(shí)設(shè)計(jì)板材厚度差異形成的過渡圓弧半徑。

圖2　焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了獲得圖2(a)不等厚分瓣零件，需要利用機(jī)械銑或者化學(xué)銑的方式進(jìn)行厚板的減薄處理，而兩側(cè)均勻減薄的工藝實(shí)現(xiàn)難度大，工程上，多采用單側(cè)減薄的工藝加工零件，見圖2(b)。鋁合金焊接接頭中焊縫金屬、熔合區(qū)、熱影響區(qū)、淬火區(qū)、軟化區(qū)等區(qū)域的力學(xué)性能均低于母材，為了保證母材與焊縫區(qū)域等匹配的結(jié)構(gòu)，焊縫加厚區(qū)的寬度一般不小于40mm。為了減少應(yīng)力集中，薄厚板間過渡半徑R為5mm。

4.2封頭結(jié)構(gòu)

Φ3350mm直徑鋁合金封頭分瓣壓制、拼焊成形時(shí)，采用8塊分瓣、45°均分的形式，分瓣采用10mm厚的板材制造成型，測(cè)量易發(fā)生工藝減薄的部位，制定化銑減薄方案，分別得到焊接區(qū)及非焊接區(qū)的厚度，見圖3，將余量去除，有效部分包含了焊接區(qū)與非焊接區(qū)，獲得需要的分瓣零件。封頭分瓣大端尺寸為1316mm，封頭頂蓋直徑為Φ1400mm，結(jié)構(gòu)形狀見圖4。

圖3　分瓣零件化銑示意

圖4　封頭設(shè)計(jì)圖與實(shí)物

5　結(jié)語

(1)大直徑運(yùn)載火箭2A14鋁合金封頭拼焊制造時(shí)，采用母材與焊縫分別設(shè)計(jì)的方式，在0.56MPa承載條件下，母材設(shè)計(jì)厚度為5.6mm，焊接區(qū)設(shè)計(jì)厚度為9.0mm。采用厚板化銑減薄的方式，分別得到焊接區(qū)及母材的厚度。

(2)采用單側(cè)減薄的工藝加工不等厚零件，可獲得母材與焊縫區(qū)域等匹配的結(jié)構(gòu)，焊縫加厚區(qū)的寬度不小于40mm。

(3)Φ3350mm直徑鋁合金封頭采用8塊分瓣、45°均分的形式，封頭頂蓋直徑為Φ1400mm。

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2016-02-24)

*田志杰：高級(jí)工程師。2007年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)材料加工工程專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事運(yùn)載火箭貯箱制造及焊接技術(shù)研究，發(fā)表文章二十余篇。聯(lián)系電話:15101695568，E-mail：tzhj_2004@126.com。