高體積分數SiC/Al焊接結構應用于空間相機的穩定性研究

劉曉豐　何欣　張凱

摘要：針對焊接工藝應用于高體積分數SiC/Al復合材料的不成熟性研究了焊接工藝應用于航天遙感器機身結構的的穩定性。根據光學設計公差分析結果和機身的結構形式，提出了通過運用經緯儀和三坐標測量機測量角量和線量的驗證原理，論證了膠接工藝的可行性。對機身進行了熱循環試驗，標定了實驗前后各測點的角度以及距離，對實驗前后的數據進行了比較。結果表明，機身最大轉角俯仰方向為2.1″，方位方向為2.3″，機身三個方向的最大距離變化分別為0.034 mm，0.044 mm，0.034 mm，焊接工藝應用于高體積分數SiC/Al復合材料，能夠滿足設計指標為轉角小于5″，距離公差±0.05 mm的設計要求。

關鍵詞：高體積分數SiC/Al復合材料； 焊接； 穩定性

中圖分類號： V 45 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.009

Abstract：As for the immaturity of the weld technology applied to the high volume fraction SiC/Al composites， the stability of the space remote sensor skeleton construction was studied. According to the findings of the tolerance analysis of optical deign and structures， the verification of measuring angle and linearity using threecoordinate measuring machine and theodolite was proposed. The feasibility of cementing technology was demonstrated. By the thermal cycling test of frame， the angel and the distance of measuring point were calibrate. The calibrated data was compared. The results show that the torsional angel of the frame is 2.1″ in pitch， 2.3″ in azimuth， and the changes of the distance in the three directions are 0.034 mm， 0.044 mm and 0.034 mm， which can meet the technical requirements of torsional angel smaller than 5″ and the distance tolerance of ±0.05 mm.

Keywords： high volume fraction SiC/Al compound material； welding； stability

引 言

在空間對地遙感領域，為了提高空間遙感相機等大型光學遙感系統的分辨率，通常采用長焦距和大相對孔徑的全反式或折反式光學系統[13]。

高分辨率離軸反射式光學系統具有大口徑、長焦距、大視場和結構非對稱等特點，使得離軸反射式光機系統相機機身尺寸較大，給結構設計帶來了很大的困難[4]。受尺寸和質量的制約，尋求高比剛度、低線脹系數的材料已成為迫切需求。高體積分數SiC鋁基增強復合材料具有高比強度、高尺寸穩定性、低膨脹系數優異的綜合性能，在常用的空間結構應用材料中，高體積分數SiC/Al復合材料的綜合品質因數最好[56]，因此在空間相機機身設計中得到了廣泛應用。

基于高體積分數SiC/Al復合材料的優越的機械性能以及優良的物理性能，某航天相機光機系統的主支撐結構的材料采用了高體積分數SiC/Al復合材料，光學系統是四反結構形式的新型超大視場離軸光學系統，相機機身由若干件高體積分數SiC/Al材料構件焊接而成。目前采用該材料并按此工藝研制的相機機身在航天項目上還未有成功應用的先例。考慮到機身的加工工藝，單框加工切屑量大，組合焊接次數多，焊接過程的加熱和冷卻循環過程和異種材料熱膨脹系數的差異等諸多因素必然會導致殘余應力的產生，而殘余應力往往是造成結構最終破壞的主要原因[7]。因此，必須對機身的尺寸穩定性進行充分驗證，以滿足相機成像要求。

主框架拆分成4個零件，分別為前框、后框、左側板和右側板。各組成零件均設計成薄壁加強筋結構，在各單件加工時，由于直接采用鍛料進行加工，切削量比較大，需進行多次熱處理消除切削應力。在各單件加工完成后，將各個零件通過焊接組合成一個整體。主框架拆分成4個零件，分別為前框、后框、左側板和右側板。各組成零件均設計成薄壁加強筋結構，在各單件加工時，由于直接采用鍛料進行加工，切削量比較大，需進行多次熱處理消除切削應力。在各單件加工完成后，將各個零件通過焊接組合成一個整體。

2 機體殘余應力分析

機身的各框采用的材料為高體積分數碳化硅增強鋁基復合材料，焊料為鋁合金，焊接工序由哈爾濱工業大學焊接技術與工程系完成。機身結構在焊后經過若干次溫度時效和振動時效，可以有效的減少殘余應力。時效后用X光衍射法測機身上焊縫附近的殘余應力。焊接殘余應力測量平均差值如表1所示。

3 機身結構的穩定性驗證

在相機機身主要位置如焊縫附近、反射鏡連接面邊緣等處貼上小平面鏡。光學環氧膠完全固化后，按照上述原理和方法對小平面鏡間的相對轉角以及角點距離進行了一次測量，然后進行了熱循環試驗，試驗條件按照相機方案設計給出的指標，熱循環試驗后，穩定一段時間后，再進行一次轉角和距離的測量，把試驗前后的兩次結果進行比較，得出試驗前后小平面鏡間的角度和距離變化。多次試驗后，通過比較小平面鏡間夾角和角點距離的變化來評價機身上相應的點的變化情況，以說明機身的穩定性。

3.1 驗證原理

對于角度的驗證，在框架的各個部分貼上若干小平面鏡，使用的膠為光學環氧樹脂膠。通過檢測試驗前后小平面鏡的轉角的變化來推出框架上貼小平面鏡的相應的點的變形情況。檢測轉角的檢測設備使用兩臺0.5 s萊卡經緯儀。前后框和側框的檢驗原理如圖2和圖3所示。

對于線量的檢測，光學系統中各反射鏡的的公差要求為Δ=±0.05 mm。相機在經歷若干次試驗后反射鏡相對位置變化必須處在給定的公差帶內，驗證機身在三個方向的尺寸穩定性使用的檢測工具是三坐標測量機。

3.2 膠接工藝的可行性論證

檢測方法的可行性是保證檢測過程有意義以及檢測結果具有高可信度的前提。在機身驗證的過程中，考慮到熱試驗可能引起膠的流動引起不穩定的因素，以及溫度引起小平面鏡變形，所以對膠接工藝進行了可行性論證。為驗證光學環氧樹脂膠的穩定性做的試驗工裝如圖4所示。小平面鏡直徑為25 mm，小平面鏡用光學環氧樹脂膠粘在鏡座上，基準鏡用螺釘固定在鏡座上。膠完全固化后，把鏡座放在熱循環試驗箱中進行試驗，試驗溫度為-10～50 ℃，實驗前后分別測量小平面鏡和基準鏡之間的夾角，如表2所示。

由于基準鏡用螺釘固定，受溫度的影響非常小，可以忽略。實驗結果表明，熱循環實驗前后，由光學環氧樹脂膠引起的小平面鏡轉角變化最大為0.5″，可以認為光學環氧樹脂膠應用于Φ25口徑、厚度10 mm小平面鏡是穩定的。

4 驗證結果

對機身進行了4次試驗，周期為6個月，試驗完成后對實驗數據進行了整理。機身上總共有13個小平面鏡。俯仰和方位角的相對變化如圖5所示。

4次實驗前后，俯仰方向轉角的變化Δθ=2.1″，方位方向轉角的變化Δφ=2.3″，滿足單框的最大轉角δmax<5″的設計要求。

5 結 論

針對焊接工藝應用于大尺寸離軸三反相機存在焊接應力和殘余應力較大的問題，本文提出了驗證相機機身尺寸穩定性的一種方法；并對各檢測環節的精度進行了系統的論證；驗證結果表明，對于本文中的機身結構，材料采用高體分鋁基復合材料，連接工藝采用焊接的形式，能夠滿足設計指標為轉角<5″，距離<0.05 mm的設計要求。

采用本文的檢測方法，可以對大尺寸航天遙感器機身的尺寸穩定性進行驗證。焊接工藝應用于高體分鋁基復合材料的結構件連接中，焊接構件的尺寸穩定性能夠得到保證，該種工藝形式能夠為高體分鋁基復合材料應用于大型航天遙感器的結構設計中得到推廣。

參考文獻：

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[7]程軍.SiC/Al板的焊接殘余應力分析[J].力學季刊，2011，32（1）：117123.

（編輯：張 磊）