大直徑2A14鋁合金壓力容器橢圓形封頭結構研究

田志杰　劉　娟　李聰穎　曹　娜　馬麗翠　李　蕊

首都航天機械公司　北京　100076

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大直徑2A14鋁合金壓力容器橢圓形封頭結構研究

田志杰*劉娟李聰穎曹娜馬麗翠李蕊

首都航天機械公司北京100076

為了滿足運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構設計，采用母材與焊縫分別設計的方式，在0.56MPa承載條件下，計算得到母材設計厚度為4.2mm，焊接區設計厚度為7.0mm。采用單側減薄的加工工藝可獲得符合要求的不等厚零件，焊縫加厚區的寬度不小于40mm。Φ3350mm直徑鋁合金封頭結構采用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

運載火箭貯箱是一種特殊的壓力容器，隨著我國航天工業的發展，對運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，對封頭的成形精度要求也相應提高。在壓力容器設計中，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、結構特性優越的封頭型式雖然被廣泛采用[1,2]，但受力情況復雜[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，封頭的材料也多種多樣[13-15]，現役型號運載火箭貯箱封頭材質為2A14鋁合金，該鋁合金為Al-Cu-Mg-Si系析出強化型高強鍛造鋁合金。具有高強低塑特性，有應力腐蝕及晶間腐蝕傾向，可焊性較差，焊縫與熱影響區容易產生過燒與裂紋，接頭延伸率低。大直徑鋁合金封頭分瓣壓制、拼焊成形時，焊接結構的性能在整個封頭的制造過程中顯得尤為重要，設計時必須與工藝相結合。

焊接接頭焊縫與母材的力學性能差異會導致焊接結構的強度失配[16-17]。2A14鋁合金熔焊焊縫為低匹配結構，接頭強度系數僅為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，進行低匹配對接接頭的等強設計。

1　設計條件

1.1試驗材料

試驗板材為2A14鋁合金，其化學成分列見表1[18]。材料力學性能見表2[19]。

表1　2A14母材化學成分

表2　2A14鋁合金的力學性能

1.2封頭設計要求

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

依據文獻1，設計溫度為常溫，材料許用應力：

[σ]t=430÷3=143 MPa

2　母材厚度計算及設計

2.1計算

封頭母材計算厚度按照下式計算：

(1)

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

將各設計數據代入式(1)，可得：

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

2.2設計

依據文獻1，設計厚度δdh為計算厚度δh與腐蝕裕量C2之和；名義厚度δnh為設計厚度δdh加上材料厚度負偏差C1后向上圓整至材料規格的厚度。依據運載火箭貯箱服役特點，貯箱充入推進劑燃料后，幾十個小時內就會發射，故腐蝕裕量C2取0mm，5～6mm厚鋁合金材料厚度負偏差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，設計厚度δdh為5.6mm。

3　焊縫厚度計算

3.12A14鋁合金焊接接頭分析

熱處理可強化鋁合金接頭的性能不如母材好，抗蝕性、強度及塑性也比母材低。焊接接頭的薄弱環節可發生在三個部位：焊縫、熔合區、熱影響區，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；熔合區的主要問題是晶粒長大和過燒；熱影響區的主要問題是退火軟化和過時效。

圖1　鋁合金熱處理強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部分；熱影響區是焊接過程中母材因受熱的影響，雖然未熔化但發生金相組織和機械性能變化的區域；熔合區是在焊接接頭中，焊縫向熱影響區過渡的區域。熔合區的溫度處于固、液相線間，溫度梯度大，金屬處于部分熔化狀態，晶粒粗大，化學成份和組織不均勻。冷卻后的組織為過熱組織，使該區塑性和韌性下降，性能惡化。成為焊接接頭的薄弱地帶。而且此處接頭斷面發生變化，引起應力集中，很大程度上決定著焊接接頭的性能。在力學性能試驗中，試片拉斷的部位往往發生在這一區域。

3.22A14鋁合金焊接接頭特點

(1) 2A14鋁合金焊后強度低，焊后熱影響區軟化明顯。采用鎢級氬弧焊焊接后，焊縫強度僅為基體金屬強度的60%。由于貯箱結構尺寸大，不可能進行焊后熱處理，為彌補焊接區的強度下降，采取局部增加焊接區厚度來補償。

(2) 2A14鋁合金焊接熱裂紋傾向嚴重。經焊接加熱后，焊縫金屬沿晶界的低熔點共晶體將重新熔化，嚴重時，會形成過燒，并發展為熱裂紋。焊接熱輸入的控制是防止過燒的有效手段。

(3) 2A14對應力集中十分敏感，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計

2A14鋁合金接頭強度系數為0.6，是典型的低匹配結構，封頭采用雙面兩道焊接，100%X射線無損檢測(按航天行業標準QJ2698，Ⅰ級焊縫合格)，接頭處材料許用應力：

[σ]t=143×0.6=85.8MPa

利用式(1)，計算得到接頭處計算厚度：

接頭處設計厚度δdh2為8.32mm，8～10mm厚鋁合金材料厚度負偏差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，設計厚度δdh為9.0mm。

4　封頭結構設計

4.1母材與焊縫結構設計

低匹配焊縫余高及蓋面焊道寬度的適當增加，能夠降低焊縫內部應力，有助于低匹配接頭焊縫區承載能力的提高。依據2.2及3.3計算的厚度，為了得到等匹配的設計結構及良好的受載狀態，宜采用內外對稱的結構形式，見圖2(a)，同時設計板材厚度差異形成的過渡圓弧半徑。

圖2　焊縫結構設計

為了獲得圖2(a)不等厚分瓣零件，需要利用機械銑或者化學銑的方式進行厚板的減薄處理，而兩側均勻減薄的工藝實現難度大，工程上，多采用單側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、熱影響區、淬火區、軟化區等區域的力學性能均低于母材，為了保證母材與焊縫區域等匹配的結構，焊縫加厚區的寬度一般不小于40mm。為了減少應力集中，薄厚板間過渡半徑R為5mm。

4.2封頭結構

Φ3350mm直徑鋁合金封頭分瓣壓制、拼焊成形時，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，測量易發生工藝減薄的部位，制定化銑減薄方案，分別得到焊接區及非焊接區的厚度，見圖3，將余量去除，有效部分包含了焊接區與非焊接區，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，結構形狀見圖4。

圖3　分瓣零件化銑示意

圖4　封頭設計圖與實物

5　結語

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

(2)采用單側減薄的工藝加工不等厚零件，可獲得母材與焊縫區域等匹配的結構，焊縫加厚區的寬度不小于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：高級工程師。2007年畢業于北京航空航天大學材料加工工程專業獲碩士學位。從事運載火箭貯箱制造及焊接技術研究，發表文章二十余篇。聯系電話:15101695568，E-mail：tzhj_2004@126.com。