王京京,胡 赫,張 晶,李文杰,黃 濤

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

無(wú)法蘭波導(dǎo)作為一種新型的波導(dǎo)形式,擁有重量輕、體積小、設(shè)計(jì)方便等優(yōu)點(diǎn),是宇航領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。 因?yàn)樵谟詈筋I(lǐng)域中,重量和體積都是限制航天器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素,減少體積和重量,將設(shè)計(jì)余量用于有效載荷應(yīng)用是促進(jìn)宇航領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的有效手段。

目前無(wú)法蘭波導(dǎo)在國(guó)際宇航領(lǐng)域已經(jīng)得到了普遍的應(yīng)用,如法國(guó)國(guó)家航空宇航公司,美國(guó)的The Aerospace Corp 公司,在其設(shè)計(jì)研制的航天器中已經(jīng)大量的使用無(wú)法蘭波導(dǎo),并制定出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),在世界宇航企業(yè)中屬于領(lǐng)先的位置,其研制的無(wú)法蘭波導(dǎo)強(qiáng)度高,波導(dǎo)性能優(yōu)異,操作方便。

反觀國(guó)內(nèi),無(wú)法蘭波導(dǎo)領(lǐng)域還是一片空白。 由于國(guó)際上較先進(jìn)的宇航企業(yè)對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖,使得我國(guó)在無(wú)法蘭波導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外先進(jìn)的國(guó)家。 目前僅有中電51 所,885 所等科研單位進(jìn)入該領(lǐng)域從事研究工作。 國(guó)標(biāo)中缺乏無(wú)法蘭波導(dǎo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),由于缺乏理論體系的支撐,相關(guān)研究單位設(shè)計(jì)生產(chǎn)出的無(wú)法蘭波導(dǎo)還是存在尺寸超差,性能較差等缺點(diǎn)。 基于以上原因,對(duì)無(wú)法蘭波導(dǎo)研究工作任重而道遠(yuǎn)[1]。

但是無(wú)法蘭波導(dǎo)具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性,是波導(dǎo)發(fā)展的大趨勢(shì)。 為了完成建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的目標(biāo),比肩國(guó)際先進(jìn)的技術(shù),我國(guó)技術(shù)人員需要對(duì)無(wú)法蘭波導(dǎo)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和研究。

1 無(wú)法蘭波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

波導(dǎo)的主要作用是連通兩臺(tái)設(shè)備,形成信號(hào)傳輸通路。 傳輸原理類(lèi)似于水管一樣,信號(hào)在波導(dǎo)中的傳輸類(lèi)似于水流在水管中的流動(dòng)。 波導(dǎo)也要根據(jù)實(shí)際設(shè)備的布局情況進(jìn)行走向的調(diào)整。 如圖1 所示是一個(gè)典型的波導(dǎo)連接示意圖。

圖1 波導(dǎo)連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of waveguide connection

圖1 表示了兩臺(tái)設(shè)備(行波管放大器、隔離器)使用波導(dǎo)進(jìn)行連接的示意圖。 波導(dǎo)通過(guò)兩端法蘭(行波管連接法蘭、隔離器連接法蘭)與兩個(gè)設(shè)備相連。 通常在通信航天器上,為了保證重量較小,波導(dǎo)的材料一般使用鋁作為基材,故兩設(shè)備之間屬于剛性連接。 為了滿足航天器裝配精度,波導(dǎo)需要進(jìn)行走向的調(diào)整,滿足兩端法蘭的完全匹配,波導(dǎo)的走向如圖2 所示。

圖2 有法蘭波導(dǎo)走向示意圖Fig.2 Schematic chart of flanged waveguide trend

如圖2 所示,波導(dǎo)要實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)設(shè)備的連接功能,必須通過(guò)兩個(gè)窄邊彎波導(dǎo)和一個(gè)寬邊彎波導(dǎo)組合連接,調(diào)整彎曲波導(dǎo)兩端直線段的長(zhǎng)度,使彎段的長(zhǎng)度和法蘭的方向與設(shè)備完全匹配,保證其裝配精度。 圖2 為有法蘭波導(dǎo)的示意圖,由于加工和鍍銀工藝的限制,單根彎曲波導(dǎo)只能拐一個(gè)彎,若連接的波導(dǎo)需要兩個(gè)及兩個(gè)以上的彎組合連接,中間部分需要斷開(kāi)連接。 傳統(tǒng)的有法蘭波導(dǎo)是通過(guò)法蘭斷開(kāi)連接,中間的法蘭使用螺釘緊固件進(jìn)行連接。

無(wú)法蘭波導(dǎo)不同于有法蘭波導(dǎo),顧名思義就是在連接波導(dǎo)的設(shè)計(jì)中除了保證兩端連接設(shè)備的法蘭以外,波導(dǎo)彎段中間不再設(shè)置法蘭斷開(kāi)。 具體的設(shè)計(jì)形式如圖3 所示。

圖3 無(wú)法蘭波導(dǎo)走向示意圖Fig.3 Schematic chart of none-flanged waveguide trend

由于無(wú)法蘭波導(dǎo)設(shè)計(jì)原理與有法蘭一致,也需要多個(gè)單根拐彎的波導(dǎo)組合連接以滿足兩端設(shè)備的位置差,保證裝配精度。 但是不同于與有法蘭波導(dǎo)可以通過(guò)螺釘緊固件進(jìn)行連接各個(gè)單根彎段,無(wú)法蘭波導(dǎo)采用卡箍焊接的形式將各個(gè)單根波導(dǎo)段焊接在一起[2]。

2 無(wú)法蘭波導(dǎo)焊接

2.1 焊接的優(yōu)勢(shì)

無(wú)法蘭波導(dǎo)的加工方式之所以選擇卡箍焊接的形式組合連接各單根波導(dǎo)是由于焊接具有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)。

1)焊接時(shí)采用的原理是利用金屬原子間的作用力進(jìn)行連接,焊接結(jié)構(gòu)的整體性很強(qiáng),焊接強(qiáng)度高,焊接接頭的強(qiáng)度剛度都較好[3]。

2)焊接結(jié)構(gòu)的安全性能很高,在一般情況下不會(huì)因?yàn)榕紶柕某d或局部超載而發(fā)生突然斷裂,而是會(huì)先出現(xiàn)較大的變形,給予警示,使人可以有充分的時(shí)間進(jìn)行修補(bǔ)。 波導(dǎo)作為信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?如果突然失效,會(huì)對(duì)通信航天器的功能造成嚴(yán)重的損害。

3)焊接的制造周期短,由于焊接的零部件都是由成型好的型材和板材組成,例如無(wú)法蘭波導(dǎo)就是通過(guò)對(duì)已彎曲好的波導(dǎo)管材進(jìn)行焊接,加工周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)械加工所生產(chǎn)出的零件產(chǎn)品。

4)焊接的經(jīng)濟(jì)效益較好,在生產(chǎn)加工中焊接的投資少,見(jiàn)效快,適用于不同批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。 波導(dǎo)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行,每根波導(dǎo)都具有唯一性和特殊性,使用焊接的方式進(jìn)行生產(chǎn),可以適用于不同形式波導(dǎo)的焊接要求[4]。

綜上所述,焊接方式加工在波導(dǎo)生產(chǎn)中具有巨大的優(yōu)勢(shì),所以在無(wú)法蘭波導(dǎo)的加工及生產(chǎn)中,使用卡箍焊接的形式能充分的提高生產(chǎn)效率及可靠性。

2.2 無(wú)法蘭波導(dǎo)卡箍的焊接形式

如前文所述,無(wú)法蘭波導(dǎo)的連接需要用卡箍焊接來(lái)實(shí)現(xiàn)。 卡箍焊接的形式就決定了整個(gè)波導(dǎo)的性能,無(wú)論是力學(xué)性能還是電性能對(duì)于波導(dǎo)來(lái)說(shuō)都是非常重要的指標(biāo)。 目前無(wú)法蘭波導(dǎo)卡箍焊接所采用的是高頻感應(yīng)加熱的焊接形式。 高頻感應(yīng)加熱不同于傳統(tǒng)意義上的加熱方式,該加熱方式是非接觸式的,原理是電能通過(guò)電磁感應(yīng)現(xiàn)象將能量傳遞給需要焊接的工件,通過(guò)電流的熱效應(yīng)使電能轉(zhuǎn)換為熱能。 無(wú)法蘭波導(dǎo)管及卡箍之間填充上焊接使用的焊料,在加熱的過(guò)程中,填充在焊縫內(nèi)的焊料熔化,使無(wú)法蘭的波導(dǎo)管和卡箍可靠焊接在一起[5]。 其原理圖如圖4 所示。

如圖4 所示,金屬工件(無(wú)法蘭波導(dǎo)及卡箍)固定在專(zhuān)業(yè)焊接工裝上,處于交變電流的場(chǎng)中心,當(dāng)感應(yīng)線圈中通過(guò)交變電流后,感應(yīng)電流會(huì)產(chǎn)生熱量加熱需要焊接的波導(dǎo),使焊料熔化,完成整個(gè)無(wú)法蘭波導(dǎo)焊接過(guò)程。 高頻感應(yīng)加熱焊接有以下優(yōu)點(diǎn)。

圖4 高頻感應(yīng)加熱原理圖Fig.4 Schematic diagram of high frequency induction heating

1)加熱速度快,生產(chǎn)效率高。 高頻感應(yīng)加熱的加熱單位功率可以高達(dá)500×103~1× 103kW/m2,加熱速度極快,大面積焊接需要幾秒就可以完成,大大縮短了焊接時(shí)間,提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本。 對(duì)無(wú)法蘭波導(dǎo)這種形狀復(fù)雜,加工要求高的焊接件適用性較好[6]。

2)熱影響區(qū)小,對(duì)基體損傷小。 高頻感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)使待焊工件的加熱深度很淺,甚至可以達(dá)到零點(diǎn)幾毫米,僅僅依靠工件傳熱向芯部導(dǎo)熱,工件任一點(diǎn)進(jìn)入感應(yīng)器內(nèi),被急劇加熱到熔化溫度,離開(kāi)感應(yīng)器就進(jìn)入急劇冷卻狀態(tài),幾乎沒(méi)有保溫時(shí)間,加熱時(shí)間極短,所受到的熱影響區(qū)域很小,基本不會(huì)損傷基體。 由于無(wú)法蘭波導(dǎo)表面涂覆銀層,較小的熱影響區(qū)域可以使銀層受到的熱影響減到最小[7]。

3)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜界面的焊接,感應(yīng)加熱頭可以根據(jù)不同的工件加熱需要而設(shè)計(jì)成相應(yīng)的形狀,在極短的加熱時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)局部加熱,加熱區(qū)溫度迅速建立,溫度過(guò)渡區(qū)較窄,這樣感應(yīng)器能夠沿著復(fù)雜界面移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜界面的焊接[8]。

結(jié)合上述高頻感應(yīng)加熱焊接的3 個(gè)優(yōu)點(diǎn)可知,該焊接形式能很好的適用于無(wú)法蘭波導(dǎo)卡箍的焊接。 如前文所述,受制于鍍銀工藝的影響,鍍銀最多不能超過(guò)兩個(gè)彎,所以對(duì)于多彎組成的無(wú)法蘭波導(dǎo),由于鍍銀工藝上的不可實(shí)現(xiàn)性,焊接完成后無(wú)法進(jìn)行電鍍工作。 但是作為電信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì),要求波導(dǎo)的駐波、插入損耗等電性能指標(biāo)要足夠好,只能通過(guò)對(duì)波導(dǎo)實(shí)施電鍍銀層增加導(dǎo)電率的形式來(lái)提高電性能。 所以在此解決方案是先對(duì)單根波導(dǎo)彎管進(jìn)行鍍銀,然后進(jìn)行焊接工作。 具體原理如圖5、圖6 所示。

圖5 電鍍銀層后的單個(gè)波導(dǎo)彎管Fig.5 Single waveguide elbow after silver plating

圖6 與卡箍焊接完成的波導(dǎo)組件Fig.6 Waveguide assembly soldered with hoop

先鍍銀后焊接對(duì)溫度有較高要求,焊接時(shí)加熱溫度不能過(guò)高。 因?yàn)闇囟热绻^(guò)高會(huì)破壞鍍銀層,進(jìn)而影響波導(dǎo)的電性能指標(biāo)。 目前所使用的高頻感應(yīng)加熱技術(shù)溫度需控制在320 ℃左右,一方面該溫度屬于軟釬焊溫度范圍,對(duì)鍍銀層影響較小;另一方面可以使焊料熔化,使波導(dǎo)管材和卡箍充分焊接[9]。

高頻感應(yīng)加熱焊接選用軟釬焊,將帶來(lái)焊料有可能不能完全熔化的問(wèn)題,即使熔化也不能充分流動(dòng)。 另外,高頻感應(yīng)加熱焊接熱影響區(qū)域較小,且沒(méi)有保溫過(guò)程,所以焊接用的焊料可能因?yàn)闆](méi)有充分流動(dòng)且急速冷卻而產(chǎn)生殘余應(yīng)力[10]。 波導(dǎo)在航天器的使用中,需要承受?chē)?yán)苛的力學(xué)環(huán)境的考驗(yàn),波導(dǎo)管與卡箍如果不能有效焊接,會(huì)影響整個(gè)波導(dǎo)組件的力學(xué)強(qiáng)度等指標(biāo),甚至對(duì)波導(dǎo)組件進(jìn)行破壞,從而影響整個(gè)航天器的整體性能。

3 卡箍的設(shè)計(jì)對(duì)焊接性能的影響

3.1 普通卡箍的焊接結(jié)果

圖6 所示是普通型卡箍焊接后的形式,為了充分驗(yàn)證焊接質(zhì)量的好壞。 對(duì)每個(gè)卡箍進(jìn)行了X 光檢驗(yàn)。 如圖7 所示為普通卡箍焊接后的X 光示意圖。

圖7 普通卡箍焊接X(jué) 光圖Fig.7 X-ray of common hoop after soldering

如圖7 所示,該卡箍的釬著率為80%,且在焊接內(nèi)部存在大量的氣泡,嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。 經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì),使用普通卡箍焊接后的釬著率統(tǒng)計(jì)如表1 所列。

如表1 所列,釬著率大于85%的焊接卡箍的比例只占11.3%,根據(jù)《航天器用鋁合金和不銹鋼、不銹鋼和鈦合金、鈦合金和鋁合金釬焊技術(shù)要求》的規(guī)范來(lái)評(píng)判,高等級(jí)的接頭比例較小[3]。

表1 普通卡箍釬著率統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table for brazing area ratio of common hoops

根據(jù)表2 所列,通過(guò)釬著率判斷,使用普通卡箍進(jìn)行焊接后的波導(dǎo)組件只有十分之一左右能達(dá)到I級(jí)接頭的標(biāo)準(zhǔn),部分還存在III 級(jí)接頭的情況,作為航天器關(guān)鍵的傳輸介質(zhì)來(lái)說(shuō),存在重大的隱患[11]。

表2 接頭內(nèi)部質(zhì)量Tab.2 Internal quality of joints

3.2 透氣卡箍的焊接結(jié)果

經(jīng)過(guò)分析可知,普通卡箍存在釬著率不合格及大量氣泡的原因是由于焊接時(shí)采用的工藝是軟釬焊,卡箍焊縫過(guò)寬,面積較大,焊縫內(nèi)部空氣無(wú)法排除。 焊料冷卻后,殘余的空氣被焊料包圍,形成氣泡。 該氣泡占據(jù)了原本應(yīng)由焊料占據(jù)的空間,降低了釬著率,影響了接頭的質(zhì)量。 綜上所述,提出了新型的具有透氣孔的卡箍設(shè)計(jì)形式。 具體的形式如圖8 所示。

圖8 含透氣孔卡箍示意圖Fig.8 Schematic diagram of hoop with air permeability hole

如圖8 所示,卡箍的四周打上圓孔作為透氣孔,在焊接的時(shí)候可以有效的排除波導(dǎo)管和卡箍之間的殘余空氣,從而改善殘余空氣無(wú)法釋放的問(wèn)題。 使用含透氣孔的卡箍進(jìn)行焊接后的X 光照片如圖9 所示。

圖9 含透氣孔卡箍焊接X(jué) 光圖Fig.9 X-ray of hoop with air permeability hole after soldering

如圖9 所示,該卡箍的釬著率為92%,焊接質(zhì)量有了大幅度的提升,且卡箍?jī)?nèi)殘余氣泡較小。 經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì),使用含透氣卡箍焊接后的釬著率統(tǒng)計(jì)表如表3 所列。

表3 含透氣孔卡箍釬著率統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical table of brazing area ratio of hoops with permeable holes

4 結(jié)論

無(wú)法蘭波導(dǎo)不同于有法蘭波導(dǎo),不能使用法蘭進(jìn)行連接,只能通過(guò)卡箍焊接的形式將單段成型好的波導(dǎo)管連接成波導(dǎo)組件以滿足固定及安裝的要求。 為保證焊接質(zhì)量及波導(dǎo)的強(qiáng)度能滿足航天器的需求,卡箍的設(shè)計(jì)形式是極為重要的。

文章將兩種不同的卡箍進(jìn)行對(duì)比,將兩種卡箍分別用以焊接相同的單段波導(dǎo)通過(guò)X 光檢驗(yàn)的手段,對(duì)兩種不同的卡箍焊接完成后的釬著率進(jìn)行了對(duì)比。 最后通過(guò)統(tǒng)計(jì)可以看出,增加了透氣孔的卡箍可以有效的提高釬著率,對(duì)于《航天器用鋁合金和不銹鋼、不銹鋼和鈦合金、鈦合金和鋁合金釬焊技術(shù)要求》中規(guī)定的三個(gè)等級(jí)的接頭質(zhì)量都有大幅度的提升。 對(duì)于航天器中最關(guān)心的一級(jí)接頭質(zhì)量提高率高達(dá)30%。 可以說(shuō)明含有透氣孔的卡箍是一種理想的設(shè)計(jì)形式,對(duì)航天器中波導(dǎo)焊接質(zhì)量的提高起著重要的作用。