大直徑鋁合金壓力容器橢圓形拼焊封頭研究

田志杰蘇志強 杜晗 刁禹

（首都航天機械公司）

大直徑鋁合金壓力容器橢圓形拼焊封頭研究

田志杰*蘇志強 杜晗 刁禹

（首都航天機械公司）

分析了在兩個不同標準下設計的直徑3350 mm的鋁合金橢圓形封頭的差異。采用母材與焊縫分別計算的方法，設計了適用于工程實際的等匹配橢圓形拼焊封頭。在0.56 MPa承載條件下，母材設計厚度為4.98 mm，焊接區設計厚度為8.3 mm，單側減薄過渡，焊縫加厚區的寬度不小于40 mm。用單面兩道的焊接方式拼焊封頭時，焊縫斷口位于熱影響區，封頭焊接區安全系數達到2.77。

橢圓形封頭焊接低匹配鋁合金厚度壓力容器

0 引言

運載火箭貯箱是一種鋁合金制的壓力容器，其封頭是重要的承壓部件。隨著運載火箭貯箱的需求及安全性要求的提高，封頭的制造精度要求也相應提高。橢圓形封頭作為一種受力良好、結構優越的封頭形式被廣泛采用[1-5]，而大直徑封頭制造時宜采用分瓣壓制和拼焊成形的方式[6-8]。

運載火箭箭體結構輕質化要求越來越高，其中推進劑貯箱結構輕質化越來越關鍵。在內壓載荷作用下，大型薄壁貯箱結構圓筒殼與半球殼的變形不協調，導致焊接區有較大彎曲應力，采用高強度鋁合金焊接裝配方法難以實現等應力設計[9-10]。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，其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[11]。

鋁合金焊縫與母材的力學性能差異會導致焊接結構的強度失配[12-14]。2A14鋁合金熔焊焊縫為低匹配結構，接頭強度系數僅為0.6左右。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，其化學成分列于表1，材料力學性能如表2所示。

表1 2A14鋁合金化學成分(%)

表2 2A14鋁合金的力學性能

1.2 封頭設計要求

封頭直徑為3350 mm，橢圓長短軸比值為1.6，計算壓力為0.56 MPa。

2 母材厚度計算

2.1 計算厚度

封頭母材計算厚度按照下式計算：

式中K——橢圓形封頭形狀系數，由文獻[1]查得，該值為0.76；

pc——計算壓力，MPa；

δh——封頭計算厚度，mm；

Di——封頭內徑，mm；

φ——焊接接頭系數，此值為1.0。

依據文獻［1］，材料許用應力≥≥σ=143 MPa；依據文獻［2］，材料許用應力≥≥σ=108 MPa。

將各設計數據代入式（1），并依據文獻［1］和文獻［2］可分別得：

2.2 設計厚度與名義厚度

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0 mm，5～6 mm厚鋁合金材料厚度存在負偏差0.3 mm，化銑減薄負偏差0.2 mm。設計厚度δdh為4.98 mm，由于運載火箭箭體結構輕質化要求越來越高，需要將箭體質量降到最低，因此名義厚度δnh為5.5 mm。

依據文獻［2］，設計厚度δdh為6.6 mm，名義厚度δnh為7.1 mm。

3 焊縫厚度計算

2A14鋁合金焊接時，焊縫性能經過熱處理過程后可以得到強化，但強化效果（抗蝕性、強度及塑性）不如母材。焊接接頭熔合區晶粒長大、過燒以及熱影響區的退火軟化和過時效，決定了焊縫拉伸的斷裂部位發生在這一區域。

采用鎢級氬弧焊焊接后，焊縫強度僅為基體金屬強度的60%，是典型的低匹配結構。由于貯箱結構尺寸大，不可能進行整體焊后熱處理。為彌補焊接區的強度下降，采取局部增加焊接區厚度的措施來補償。

利用式（1）并依據文獻［1］，計算得到接頭處計算厚度為：

接頭處設計厚度δdh2為8.3 mm，名義厚度δnh2為8.8 mm。

利用式（1）并依據文獻［2］，計算得到接頭處計算厚度為：

4 封頭結構設計

4.1 母材與焊縫結構設計

依據文獻［1］、文獻［2］計算得到的封頭厚度各不相同。對于靜止且長期服役的鋁制容器，為了提高其耐熱、耐壓、耐腐蝕的能力及可靠性，宜采用文獻［2］的計算結果。然而對于飛行過程輕質化、減重要求強烈的運載火箭，工程上采用文獻［1］的計算結果，封頭名義厚度為為5.5 mm，焊接區名義厚度為8.8 mm。

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。依據計算結果，為了得到等匹配的設計結構及良好的受載狀態，采用焊接區加厚的結構形式，需要利用化學銑的方式進行厚板的減薄處理。工程上，采用單側減薄的工藝加工零件，如圖1所示。同時，為了保證母材與焊縫區域等匹配的效果，焊縫加厚區的寬度一般不小于40 mm。

圖1 焊縫結構設計

4.2 封頭結構

直徑3350 mm的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，封頭分瓣大端尺寸為1316 mm，封頭頂蓋直徑為1400 mm，結構如圖2所示。

圖2 封頭設計圖與實物

為了提高生產效率，控制產品外觀形貌，瓜瓣的裝配及焊接順序應該合理、科學。優化的裝配工藝流程如下：對焊接區域清理后，將八塊瓜瓣以刻線、協調定位孔定位，分別安裝在模胎上；利用壓緊機構固定瓜瓣，實現焊縫之間無錯邊，零件與工裝貼合緊密；對圖2中顯示的8條焊縫制定合理的焊接順序，產品的焊接流程順序為1→5→4→8→6→2→3→7，封頭頂蓋環縫最后焊接。

5 封頭焊接工藝評定

5.1 接頭強度

根據橢圓封頭焊接區的厚度，選取8.8 mm厚度長平板進行單面自動化焊接試驗，焊接工藝采用氦弧打底、氬弧蓋面的復合焊接方式。焊接完成的焊縫成型美觀，焊縫正面均勻一致（如圖3所示），接頭缺陷發生率低，無氣孔、裂紋等焊接缺陷（如圖4所示）。

圖3 焊縫正面成型

圖4 焊縫X射線檢測底片

對焊接試片取樣進行拉伸試驗，斷口位于熱影響區（如圖5所示），抗拉強度性能優良，抗拉強度值為265～285 MPa。這說明采用單面兩層自動化焊接方法，滿足生產要求。

5.2 焊接區安全系數

橢圓形封頭的最大工作壓力由下式計算：

式中δeh——封頭的有效厚度，其值為名義厚度減去腐蝕裕量及材料厚度負偏差。

圖5 焊縫斷口位置

將有效厚度8.3 mm、接頭強度265 MPa、接頭強度系數0.9代入式（2），計算得到：

6 結論

本文分析了在兩個不同標準下設計的直徑3350 mm的鋁合金橢圓形封頭的差異。

（1）采用GB 150.1～150.4與JB/T 4734兩種設計標準，計算得出的鋁合金封頭厚度各不相同，按后者標準計算結果較大。

（2）大直徑運載火箭2A14鋁合金封頭拼焊制造時，工程上采用母材與焊縫分別設計的方式，在0.56 MPa承載條件下，母材設計厚度為4.98 mm，名義厚度為5.5 mm；焊接區設計厚度為8.3 mm，名義厚度為8.8 mm，焊縫加厚區的寬度不小于40 mm。

（3）采用氦弧打底、氬弧蓋面的復合焊接方式。焊接工藝評定結果顯示，斷口位于熱影響區,封頭焊接區安全系數達到2.77。

[1]壓力容器：GB 150.1～150.4—2011[S].

[2]鋁制焊接容器：JB/T 4734—2002[S].

[3]壓力容器封頭：GB/T 25198—2010[S].

[4]華凱旋，余小魯，王柯智.大型壓力容器厚壁封頭成形工藝及質量控制研究現狀分析[J].鍛壓技術，2015，40(2)：8-14.

[5]CARBONARI R C，et al.Design of pressure vessels using shape optimization：An integrated approach[J]. TheInternationalJournalofPressureVesselsand Piping，2011，88(5-7)：198-212.

[6]陳帥峰,王守東,雷玉川，等.大型厚壁橢圓封頭多次熱沖壓成形分析[J].鍛壓技術，2015，40(2)：37-40，59.

[7]王妍娜.大直徑球形封頭沖壓展開下料尺寸的計算[J].吉林化工學院學報，2011，28(9)：46-48.

[8]劉英東.大型厚板瓜瓣封頭頂圓板成型技術的改進[J].壓力容器，2015，32(3)：66-70.

[9]黃誠，雷勇軍.大型運載火箭低溫復合材料貯箱設計研究進展［J］.宇航材料工藝,2015(2):1-7.

[10]章凌,黃誠,方岱寧,等.大型薄壁貯箱焊接區等應力優化設計［J］.應用力學學報，2015，32(4):593-596.

[11]周廣文.推進劑貯箱優化設計的思考[J].導彈與航天運載技術，2011(1)：26-28.

[12]吳松林，薛鋼，曲占元，等.低匹配對接接頭尺寸設計原則研究［J］.材料開發與應用，2014(2)：14-17.

[13]趙智力，方洪淵，楊建國，等.低匹配對接接頭的“等承載”設計及拉伸疲勞行為［J］.機械工程學報，2010，46(10)：75-80.

[14]段小雪，張彥華，熊林玉，等.裂紋位置對強度失配焊接接頭極限載荷的影響［J］.焊接學報，2013，34 (6)：93-96.

杭氧股份公司12.8 MPa高壓板翅式換熱器研制成功

2016年11月，杭氧股份公司板式廠兩臺設計壓力為12.8 MPa的高壓板翅式換熱器產品分別成功完成了最終壓力試驗，水壓試驗壓力達到16.7 MPa。這兩臺產品的成功研制表明，杭氧股份公司研制多年的高壓板翅式換熱器取得了歷史性的突破，徹底打破了國外公司在10 MPa及以上等級高壓板翅式換熱器的技術壟斷，為10 MPa及以上等級高壓板翅式換熱器的國產化奠定了堅實的基礎。

在長達兩年的研制過程中，以杭氧股份公司板式廠為主的技術創新團隊進行了大量的科研試驗，有效開展了國際合作和“產學研”的結合，充分運用了德國多特蒙德大學的失效分析結論和成果，在材料控制技術、模具成型技術、高壓翅片及高效低阻波紋型翅片研制技術、清洗工藝、部裝工藝和真空纖焊工藝等工藝技術上實現了創新和突破，并取得了多項發明專利。杭州市特檢院和英國Lloyd's授權檢驗師現場見證了整個水壓試驗過程。

（江鎮海）

Study on the Elliptical Tailor-welded Head of Aluminum Alloy Pressure Vessel with Large Diameter

Tian ZhijieSu ZhiqiangDu HanDiao Yu

The differences of elliptical aluminum alloy heads with diameters of 3350 mm designed under two different standards were analyzed.By using the method of calculating the base metal and the weld separately,the equal matching elliptic welding head was designed for engineering practice.Under the load of 0.56 MPa,the design thickness of base metal was 4.98 mm and that of weld zone was 8.3 mm.The work piece was obtained by one side decrement,and the width of thickened weld zone was not less than 40 mm.When the head was welded by using single sided welding process with two welds,the weld fracture was located in the heat affected zone,and the safety coefficient achieved 2.77.

Elliptical head;Welding;Low match;Aluminum alloy;Thickness;Pressure vessel

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.009

2016-04-01)

*田志杰，男，1975年生，碩士研究生，高級工程師。北京市，100076。