冷 月，盧松濤，肖士利，張曙輝，李 吉

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

0 引言

運(yùn)載火箭使用的推進(jìn)劑主要是硝基氧化劑和肼類燃料，其具有強(qiáng)烈的腐蝕性和易燃、易爆、易揮發(fā)性及毒性[1]，一旦發(fā)生爆炸或推進(jìn)劑泄漏事故，有毒推進(jìn)劑的逸散會(huì)對(duì)人員安全和環(huán)境造成巨大危害，甚至影響航天任務(wù)的成敗[2]。我國航天發(fā)射試驗(yàn)中曾發(fā)生過多起由于推進(jìn)劑泄漏引起的事故[3]。目前，對(duì)于推進(jìn)劑穩(wěn)定可靠貯存的要求越來越高[4]，對(duì)貯存系統(tǒng)中貯箱、氣瓶、管路和閥門等部件提出了嚴(yán)格的漏率要求。密封是防止和處理泄漏最常用的方法[3]。新一代運(yùn)載火箭對(duì)密封材料及結(jié)構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn)[5]，如耐溫范圍要求達(dá)到80～600 K，超低溫下密封漏率要求更低，而常規(guī)型號(hào)運(yùn)載火箭所使用的橡膠密封圈[6]、金屬密封圈[7]等密封結(jié)構(gòu)很難同時(shí)滿足這些條件[8]。

為提高航天工程中密封系統(tǒng)的密封安全可靠性，本文提出一種用于運(yùn)載火箭推進(jìn)劑貯箱箱底傳感器及閥門管路的密封外焊罩結(jié)構(gòu)，對(duì)傳感器及閥門管路與貯箱箱底法蘭的密封面實(shí)現(xiàn)備保密封。不同于閥門管路等結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品，傳感器內(nèi)部有導(dǎo)線、焊點(diǎn)、橡膠圈、環(huán)氧膠等熱敏感元件，對(duì)于焊接產(chǎn)生的熱效應(yīng)承受能力較低。因此需要研究焊接工藝對(duì)焊接熱效應(yīng)的影響，從而通過調(diào)整工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接熱的控制。目前焊接工藝對(duì)焊接熱效應(yīng)影響的研究大多是旨在降低焊接殘余應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形等的力學(xué)性能理論或仿真研究[9-10]，而通過焊接工藝實(shí)驗(yàn)控制焊接結(jié)構(gòu)件溫度的研究較少。因此，本文針對(duì)箱底傳感器對(duì)于外焊罩焊接熱效應(yīng)承受能力較低的風(fēng)險(xiǎn)，開展外焊罩焊接熱效應(yīng)摸底實(shí)驗(yàn)，制定焊接過程的散熱方案，確定焊接時(shí)間、焊接時(shí)間間隔等工藝參數(shù)，以期為后續(xù)傳感器外焊罩箭上焊接提供技術(shù)支持。

1 密封外焊罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安裝于運(yùn)載火箭推進(jìn)劑貯箱箱底的部件包括測量推進(jìn)劑液位的傳感器、加注閥門及相應(yīng)管路等。為增強(qiáng)密封可靠性、降低密封漏率，傳感器及閥門管路與貯箱箱底法蘭通過密封圈密封后，需要在密封面外焊接環(huán)形外焊罩，實(shí)現(xiàn)備保密封。外焊罩的結(jié)構(gòu)形式見圖1，外焊罩一側(cè)與安裝于貯箱箱底的傳感器或閥門管路焊接，另一側(cè)與貯箱法蘭焊接。傳感器及閥門管路采用不銹鋼材料，貯箱采用鋁合金材料。為了提高焊接質(zhì)量、降低焊接難度，應(yīng)采用同種金屬焊接，因此外焊罩與以上2 種金屬材料焊接的對(duì)應(yīng)部位須采用對(duì)應(yīng)的金屬材料制成。外焊罩由不銹鋼和鋁合金異種金屬通過攪拌摩擦焊焊接而成。

圖1 密封外焊罩結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the sealed outer welding cover

2 焊接熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

為摸清密封外焊罩焊接工藝對(duì)傳感器的影響，開展焊接熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由箱底傳感器樣機(jī)、貯箱法蘭模擬件、外焊罩、焊接工裝及溫度采集系統(tǒng)等組成，如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度為18 ℃左右。

圖2 外焊罩焊接熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Test system of welding thermal effect for the outer welding cover

根據(jù)傳感器上敏感元件及關(guān)鍵電路的位置，在傳感器樣機(jī)上設(shè)置20 個(gè)溫度測點(diǎn)，測點(diǎn)分布見圖3。其中，測點(diǎn)1～5 分布在傳感器上蓋上，測點(diǎn)6～14分布在傳感器導(dǎo)管組件上，測點(diǎn)15～20 分布在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的印制電路板上。

圖3 傳感器樣機(jī)溫度測點(diǎn)分布Fig.3 Temperature measurement points distribution on the sensor prototype

3 實(shí)驗(yàn)過程

為減小外焊罩焊接熱對(duì)傳感器的影響，采用分段焊接及分段散熱的工藝方法。焊接過程中，全程實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器上測點(diǎn)溫度變化情況，從而確定適當(dāng)?shù)暮附訒r(shí)間、散熱時(shí)間等。傳感器密封外焊罩焊接熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程如下：

1）傳感器樣機(jī)、貯箱法蘭模擬件、外焊罩與焊接工裝安裝，用彈簧卡鉗將外焊罩與貯箱法蘭模擬件夾緊定位，見圖4。

圖4 外焊罩與貯箱法蘭模擬件焊接前夾緊定位Fig.4 Clamping and positioning of simulated outer welding cover and tank flange before welding

2）為防止外焊罩與貯箱法蘭模擬件發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，正式焊接前，先在外焊罩與貯箱法蘭模擬件對(duì)接面上點(diǎn)焊8 個(gè)定位點(diǎn)，焊接定位點(diǎn)前溫度采集設(shè)備即開始工作，見圖5。

圖5 外焊罩與貯箱法蘭模擬件定位焊接Fig.5 Tack welding between simulated outer welding cover and tank flange

3）8 個(gè)定位點(diǎn)將外焊罩與貯箱法蘭模擬件對(duì)接面焊接環(huán)縫均分為8 段后，采用不填絲的熔焊氬弧焊逐段焊接。每段焊接完成后，采用低壓氣源對(duì)焊接部位進(jìn)行通風(fēng)散熱，待測點(diǎn)溫度不再上升后，再開展下一段的焊接操作。由起初幾段焊接過程的溫度測點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)焊接帶來的加熱效應(yīng)并不嚴(yán)酷，因此后續(xù)焊接過程中逐步縮短每段的散熱時(shí)間，最后3 段焊接操作之間未通風(fēng)散熱，合并至所有焊接完成后再進(jìn)行通風(fēng)散熱。焊接及散熱時(shí)間見表1 所示。外焊罩與貯箱法蘭模擬件正式焊接完成后的情況見圖6。

表1 外焊罩與貯箱法蘭模擬件焊接及散熱時(shí)間Table 1 Welding time and heat dissipation time of simulated outer welding cover and storage tank flange

圖6 外焊罩與貯箱法蘭模擬件正式焊接完成Fig.6 Finished welding between simulated outer welding cover and tank flange

4）同樣，為防止外焊罩與傳感器樣機(jī)發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，外焊罩與傳感器樣機(jī)正式焊接前，在對(duì)接面上點(diǎn)焊7 個(gè)定位點(diǎn)，焊接定位點(diǎn)前溫度采集設(shè)備即開始工作，見圖7。

圖7 外焊罩與傳感器樣機(jī)定位焊接Fig.7 Positioning welding between outer welding cover and sensor prototype

5）7 個(gè)定位點(diǎn)將外焊罩與傳感器樣機(jī)對(duì)接面焊接環(huán)縫分為7 段后，采用不填絲的熔焊氬弧焊逐段焊接。每段焊接完成后，采用低壓氣源對(duì)焊接部位進(jìn)行通風(fēng)散熱，待測點(diǎn)溫度不再上升后，再開展下一段的焊接操作。由于焊接造成的加熱效應(yīng)并不嚴(yán)酷，焊接完成后未進(jìn)行長時(shí)間通風(fēng)散熱。焊接及散熱時(shí)間見表2 所示。外焊罩與傳感器樣機(jī)正式焊接完成后的情況見圖8。

表2 外焊罩與傳感器樣機(jī)焊接及散熱時(shí)間Table 2 Welding time and heat dissipation time of outer welding cover and sensor prototype

圖8 外焊罩與傳感器樣機(jī)正式焊接完成Fig.8 Finished welding of outer welding cover and sensor prototype

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 外焊罩與貯箱法蘭模擬件定位焊接

外焊罩與貯箱法蘭模擬件定位焊接時(shí)，測點(diǎn)6、7、8、9、15、16 靠近焊接熱影響區(qū)域，溫度變化明顯，需關(guān)注（其他測點(diǎn)溫度變化不明顯，不再分析）。其中測點(diǎn)6、7、8、9 位于傳感器法蘭上，測點(diǎn)15、16 位于傳感器導(dǎo)管內(nèi)的印制電路板上。各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線見圖9，測溫時(shí)間步長為1.5 s，下同?？梢钥吹剑汉附舆^程中，各測點(diǎn)都有一定的溫升，最高溫度均在31 ℃以下，最大溫升不超過10 ℃；由于距焊接位置較遠(yuǎn)且自身比熱容較高等原因，位于印制板上的測點(diǎn)15、16 的溫升相對(duì)較小，較傳感器法蘭上測點(diǎn)的溫升小50%左右。

圖9 外焊罩與貯箱定位焊接溫度變化曲線Fig.9 Temperature variations of measurement points during positioning welding between outer welding cover and storage tank flange

4.2 外焊罩與貯箱法蘭模擬件正式焊接

外焊罩與貯箱法蘭模擬件正式焊接時(shí)，測點(diǎn)6、7、8、9、15、16 的溫度隨時(shí)間變化曲線見圖10?？梢钥吹剑汉附舆^程中，各測點(diǎn)都有一定的溫升，最高溫度均在60 ℃以下，最大溫升不超過30 ℃；焊接完成后經(jīng)長時(shí)間通風(fēng)散熱，測點(diǎn)溫度明顯下降；安裝在印制板上的測點(diǎn)15、16 的溫升相對(duì)較小，溫度變化曲線更為平滑，溫升比較連續(xù)，與傳感器法蘭上測點(diǎn)間的差距已不明顯。

圖10 外焊罩與貯箱正式焊接溫度變化曲線Fig.10 Temperature variations of measurement points during formal welding beteen outer welding cover and tank flange

4.3 外焊罩與傳感器樣機(jī)定位焊接

外焊罩與傳感器樣機(jī)定位焊接時(shí)，測點(diǎn)1、3、4、5、15、16 靠近焊接熱影響區(qū)域，溫度變化明顯，需關(guān)注（其他測點(diǎn)溫度變化不明顯，不再分析）。其中測點(diǎn)1、3、4、5 位于傳感器法蘭上，測點(diǎn)15、16位于傳感器導(dǎo)管內(nèi)的印制電路板上。各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線見圖11?？梢钥吹剑汉附舆^程中，各測點(diǎn)都有一定的溫升，最高溫度均在45 ℃以下，最大溫升不超過15 ℃；安裝在印制板上的測點(diǎn)15、16的溫度先下降后上升，這是因?yàn)橛≈瓢鍨榉墙饘俨牧?，?duì)外界溫度變化反應(yīng)較金屬遲鈍，剛開始的溫度下降是由上一階段焊接工作完成后通風(fēng)散熱造成的。

圖11 外焊罩與傳感器樣機(jī)定位焊接溫度變化曲線Fig.11 Temperature variations of measurement points during positioning welding between outer welding cover and sensor prototype

4.4 外焊罩與傳感器樣機(jī)正式焊接

外焊罩與傳感器樣機(jī)正式焊接時(shí)，測點(diǎn)1、3、4、5、15、16 的溫度隨時(shí)間變化曲線見圖12?？梢钥吹剑汉附舆^程中，各測點(diǎn)都有一定的溫升，最高溫度均在61 ℃以下，最大溫升不超過25 ℃；由于焊接完成后沒有進(jìn)行長時(shí)間通風(fēng)散熱，所以測點(diǎn)溫度未大幅度下降；安裝在印制板上的測點(diǎn)15、16 的溫升相對(duì)較小，溫度變化曲線更為平滑，溫升比較連續(xù)，與傳感器法蘭上測點(diǎn)溫度最大相差15 ℃，最高溫度較外焊罩與貯箱法蘭模擬件焊接時(shí)低6 ℃。

圖12 外焊罩與傳感器樣機(jī)正式焊接溫度變化曲線Fig.12 Temperature variations of measurement points during formal welding between external welding cover and sensor prototype

5 結(jié)論

本文提出一種用于運(yùn)載火箭推進(jìn)劑貯箱箱底傳感器及閥門管路的密封外焊罩結(jié)構(gòu)，對(duì)傳感器及閥門管路與貯箱箱底法蘭密封面實(shí)現(xiàn)備保密封。并針對(duì)箱底傳感器對(duì)于外焊罩焊接熱效應(yīng)承受能力較低的風(fēng)險(xiǎn)，開展了外焊罩焊接熱效應(yīng)摸底實(shí)驗(yàn)，獲得以下結(jié)論：

1）分段焊接及焊接間隔中利用低壓氣源通風(fēng)散熱的焊接工藝能夠有效控制傳感器的溫升。外焊罩焊接過程中，傳感器上所有測點(diǎn)最高溫度為60.83 ℃，遠(yuǎn)低于傳感器熱敏感元件所能承受的的最高溫度（120 ℃）要求，不會(huì)對(duì)傳感器電器元件的正常工作造成影響。

2）焊接時(shí)間越短、散熱時(shí)間越長，焊接件的溫升越小。因此，適當(dāng)增加正式焊接前定位焊接點(diǎn)數(shù)量，可以有效地縮短每段焊接時(shí)間，從而降低焊接熱影響區(qū)溫度。

3）距離焊接區(qū)越遠(yuǎn)，焊接熱效應(yīng)影響越小。因此，適當(dāng)將敏感元器件遠(yuǎn)離焊接熱影響區(qū)，在敏感元件與焊接區(qū)之間增加絕熱或隔熱組件，均能有效隔絕熱傳導(dǎo)，降低元器件溫度。

本研究實(shí)驗(yàn)所選用的焊接工藝參數(shù)及焊接方法可為同類型箱底傳感器外焊罩焊接提供依據(jù)，為后續(xù)涉及電子元器件的焊接工序提供技術(shù)支撐及質(zhì)量保障。