陳小軍,周含宣,楊春鵬
(中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)
雷達天線艙架設(shè)在艦船桅桿,受到海浪起伏、天線方位轉(zhuǎn)動等慣性載荷作用。天線艙框架是對整機機械性能、質(zhì)量指標、控制系統(tǒng)的精度指標、安全指標等影響較大的結(jié)構(gòu)件。[1]天線陣面為有源相控陣雷達的重要部件,天線艙框架為有源陣面提供安裝空間和支撐。
某雷達天線艙框架安裝如圖1所示。安裝在天線艙框架上的天線陣面包括T/R組件、分電箱及本振、時鐘、功分模塊、電源模塊、冷卻管路及環(huán)境監(jiān)測裝置等。陣面內(nèi)模塊眾多且互聯(lián)關(guān)系復(fù)雜,散熱要求不同,需要通過框架來安裝定位并冷卻。因此,天線艙框架應(yīng)保持足夠的剛度與精度。
圖1 天線艙框架安裝示意圖
天線艙框架主體材料選用強度高、抗蝕性好的鋁合金材料。鋁合金的導(dǎo)熱性強、熱容量大、線脹系數(shù)大[2],焊接變形較大。因此,控制天線艙框架焊接和加工的變形是天線艙框架工藝設(shè)計的重點。 某天線艙框架如圖2所示。該天線艙框架由鋁合金板材和型材焊接加工而成??蚣芙孛娉实妊菪危庑巫畲蟪叽玳L約3 800 mm、寬約3 050 mm、高約3 200 mm。
圖2 天線艙框架結(jié)構(gòu)示意圖(去除外蒙皮)
該天線艙框架由頂框、底框、左側(cè)面框架、右側(cè)面框架、T/R框架、面框架等6個部件組焊而成。天線艙框架外表面焊接有2 mm厚的鋁板蒙皮。該框架是前后陣面傾斜70°、兩側(cè)面傾斜2.3°的4面梯形結(jié)構(gòu)形式??蚣芙Y(jié)構(gòu)特點是尺寸較大,焊縫較多,且為連續(xù)焊縫。天線艙框架的加工后主要技術(shù)要求:(1)底面平面度0.04,天線陣面安裝面與底面的夾角70±15′,前后面平面度0.1,垂直度0.3;(2)T/R框架與底面的夾角70±30′,T/R框架內(nèi)部安裝面之間的垂直度、平行度0.03等。
天線艙框架采用氬弧焊拼焊成形。拼焊的部件隨工裝一起焊接并熱處理去除應(yīng)力,然后在總裝工裝的定位支撐下將4大部件拼焊在一起,蒙皮最后焊接,焊接后需要進行整體人工時效,去除焊接應(yīng)力,最后加工各法蘭面,加工時由加工工裝支撐T/R框架,保證加工精度。該天線艙框架工藝流程如圖3所示。
圖3 天線艙框架工藝流程
天線艙框架整體尺寸大,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,前、后面板及左右側(cè)框的位置控制較難。底框采用槽鋁件等焊接,焊接部位多,焊接變形較大,其整體外形尺寸較難控制。焊接結(jié)構(gòu)的焊縫必須完整連續(xù)、均勻,無焊穿、裂縫和氣孔等缺陷,焊縫以雙面角焊縫和坡口焊縫為主。為減小焊接變形,結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工工藝上都必須采用相應(yīng)的措施,設(shè)計時盡量將焊縫對稱分布,利用對稱焊縫產(chǎn)生的相反變形來抵消零件的整體變形。在焊接工藝上采取如下措施:
(1) 焊接評定
根據(jù)CB/T 3748船用鋁合金焊接工藝評定要求進行。根據(jù)板材和型材厚度和焊接類型,同批次材料通過試件焊接進行工藝參數(shù)驗證,驗證后方可進行正式焊接。當(dāng)因更換材料、厚度、焊絲牌號等情況發(fā)生變化時,應(yīng)重新驗證焊接工藝參數(shù)。[3]試板厚度與可以適用的母材厚度對應(yīng)關(guān)系如表1。試板按表2檢測,其結(jié)果如滿足技術(shù)要求則得出正式焊接工藝參數(shù),如不滿足技術(shù)要求則調(diào)整預(yù)焊接工藝參數(shù)并重新評定,最終得出能滿足要求的焊接參數(shù)。
表1 試板厚度t與可適用的母材厚度對應(yīng)關(guān)系表
表2 檢查項目與檢測內(nèi)容表
(2) 焊接模擬仿真
針對焊縫較長容易產(chǎn)生較大變形的問題,采用專用軟件對框架總體焊接后的變形進行數(shù)值模擬計算,根據(jù)結(jié)果得出焊接變形的重點控制部位。
(3) 反向預(yù)補償
根據(jù)仿真結(jié)果和焊接經(jīng)驗預(yù)測焊接變形量及方向,采用反變形法預(yù)置一定的變形補償量來抵消焊接后產(chǎn)生的變形,減小焊接變形量。
(4) 焊接順序
設(shè)計合理的裝配焊接順序,按照從中間向四周的原則施焊。為避免框架整體焊接應(yīng)力過大,變形后難以矯正,焊接工藝設(shè)計時采用分部件組焊法,框架部件焊接后矯正并消除應(yīng)力后再總體裝配焊接;焊接后采用退火去應(yīng)力熱處理。
(5) 焊接工裝
設(shè)計框架的專用剛性約束工裝和夾具,保證焊接變形能得到有效控制,設(shè)計各部件工裝。圖4為側(cè)面框架裝焊工裝,部件焊接熱處理后加工部件連接處。各部件間用榫頭槽形式相互定位連接整體拼焊如圖5所示。整體拼焊時設(shè)計專門的定位工裝,實物如圖6所示。
圖4 側(cè)面框架裝焊工裝示意圖
圖5 框架整體拼焊示意圖
(6) 焊接操作
根據(jù)焊接評定試驗得出的焊接參數(shù),制定焊接操作作業(yè)指導(dǎo)書。對于有雙面角焊縫和雙V型焊縫的位置,采用雙人對稱施焊。對不滿足要求的焊縫進行磨切后重新焊前清洗并按照規(guī)范補焊,直到滿足要求。
圖6 框架整體焊接熱處理工裝實物圖
天線艙框架頂部和內(nèi)部有設(shè)計基準平臺,用于檢測水平度和標校時安放校驗儀器。選擇行程滿足要求的數(shù)控落地鏜銑床加工,整體框架檢查加工余量后進行粗加工,整體自然時效去除加工應(yīng)力,時間不低于48 h。加工底面作為基準,設(shè)計專門的裝夾工裝(如圖7所示),保證側(cè)面及T/R框架與底面的角度要求??蚣芨骷庸っ嬖O(shè)有工藝基準塊,便于各面加工時的校準。
圖7 天線艙框架加工示意圖
天線艙框架加工難點在于控制整體焊接變形和加工應(yīng)力變形。除設(shè)計了必要的工裝保證和相應(yīng)的去應(yīng)力措施外,框架的外蒙皮的焊接變形也是工藝重點考慮的。框架蒙皮的焊接直接影響整體密封性和美觀性。
側(cè)面框架部件如圖8所示。該部件為上下側(cè)開放設(shè)計,剛性差,焊接易變形。采用增加工藝筋的措施進行部件焊接,采用部件工裝夾緊壓平焊接后進行熱處理,并將蒙皮分塊施焊控制變形。
圖8 改進前后側(cè)面框架示意圖
加工的難點:T/R框架內(nèi)腔結(jié)構(gòu)剛性較差。對于加工過程中易出現(xiàn)難加工的顫刀現(xiàn)象,設(shè)計了內(nèi)框剛性工裝,用于整體加工過程中加強框架結(jié)構(gòu)剛性避免顫刀,保證T/R框架加工質(zhì)量。
天線艙框架通過合理的部件拆分從控制部件焊接的變形開始,并利用整理工裝保證整理組焊的精度。兩側(cè)邊蒙皮焊接時預(yù)設(shè)工藝筋保證蒙皮焊接剛度來控制變形,同時通過合理的施焊工藝保證焊接的質(zhì)量。加工時通過工裝保證T/R框架的剛性支撐,確保組件模塊在框架上的安裝精度,達到了設(shè)計的精度要求。該框架通過焊接加工驗證已轉(zhuǎn)入正式產(chǎn)品。