激光技術在過濾器殼體制造中的研究與應用

（西安航天發動機有限公司，西安 710100）

激光切割技術主要是將激光束進行聚焦，在聚焦后形成功率較高的密度光斑，并將需要被切割的材料快速加熱，直到達到汽化的溫度，在經過蒸發后形成氣孔，利用激光光束和材料之間的相對移動，進行窄縫的連續切割。激光切割尺寸精度高，且可實現批量生產，因此已廣泛應用于汽車、航空航天領域。目前處于世界前列的激光設備廠商的激光切割設備大多數都擁有自己的專用激光切割數控系統或含有集成的激光加工模塊。如瑞士百超研制的ByJin及BySun系列激光切割設備采用其公司自主研發的 ByVision系統，可根據工件加工輪廓自主同步調整切割速度與激光功率，并且能夠自動尋邊與調整加工參數[1—6]。

激光焊是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，具有焊接質量高、焊接變形小、焊接位置精確可控等優點。激光焊接加工技術的研究和開發在1980年左右，目前已廣泛應用于各個行業。在航空、航天產品中，激光焊所具有的高精度、高柔性的特點，使其在實際生產中已取代部分傳統的電阻點焊和鉚接等工藝，實現了部分產品高效高質量的連接。以空客A380為例，激光焊已代替傳統的鉚接工藝實現了蒙皮的焊接，從而使飛機的質量減輕15%，加工速度提高了 20～40 倍[7—10]。

液氧煤油火箭發動機氧化劑搖擺軟管過濾器能起到去除渦輪氧泵液氧中的雜質、微小顆粒多余物的控制作用，保證推進劑在設計的流量密度和組元混合比下能在燃燒室中進行穩定燃燒。殼體是過濾器的關鍵零件，承擔過濾網骨架的作用，其尺寸精度對推進劑的流量影響較大，決定了發動機燃燒的可靠性，因此針對現有的化銑和氬弧焊工藝無法準確保證尺寸精度及難以解決生產效率低下的問題，亟需開展激光切割和激光焊接替代工藝研究。

1 殼體結構及工藝流程對比分析

殼體作為過濾器中的主要零件之一（見圖1），承擔過濾器過濾網骨架的作用。材料為1Cr18Ni9Ti，δ2.5 mm。大端內徑為Φ221 mm、小端內徑為Φ110.5 mm，高度為181 mm，包含24個非均勻均布的扇形孔，分隔處有12條筋，其中11條寬度為3.4 mm，1條寬度為7 mm，其中7 mm的筋為對接縱焊縫所在部位，焊接縱縫按QJ 1842—95 II級標準執行。殼體原工藝流程與改進工藝對比見圖2。

圖1 過濾器殼體結構Fig.1 Structure of filter framework

2 工藝分析

2.1 化銑工藝

殼體屬于薄壁零件，適合鈑金成形，但卷曲成形后不適用機械加工，因此原工藝采用了化銑工藝。化銑即化學銑切，在整個零件的表面涂上防蝕層（涂膠），同時還要在防蝕層上根據加工需要，刻劃出圖形，將要加工的表面清晰、準確地暴露出來，并利用腐蝕液腐蝕溶解工件表面材料，實現工件的成形[11—15]。根據工件材料的不同調整腐蝕液的成分。

圖2 殼體原工藝和改進加工流程對比（橢圓形的流程為改進或省去的流程）Fig.2 Comparison of original process and improved process flow (oval process is improved or omitted)

殼體材料為 1Cr18Ni9Ti不銹鋼，耐蝕性很強，化銑需要使用以硝酸或鹽酸為基礎的王水腐蝕劑（如體積分數為20%的硝酸+體積分數為70%的鹽酸或體積分數為 50%的鹽酸+體積分數為 17%的硝酸+體積分數為 10%的硫酸），并配制活化劑。在化學銑切之前，必須進行徹底的預清潔處理。一般都需要有一次溶劑擦洗，一次溶劑除油或蒸汽除油，以及一次堿性溶液清潔處理。在化學銑切的加工過程中，腐蝕劑及蒸汽對人的健康均有危害性[14—16]。

此外為提高防蝕層與殼體的結合力，需要增加吹砂工序以提高工件表面粗糙度，但吹砂粉塵對人體有害；防蝕層的凝固時間長、刻畫精度低、效率低；化銑精度隨腐蝕厚度增加而急劇降低（見圖3），且在邊緣形成鋒利銳邊，打磨工作量巨大，且打磨表面粗糙度差。化學銑切由于以上局限性，在一定程度上限制了殼體批量生產。

圖3 化銑原理、腐蝕過程及加工精度Fig.3 Principle of milling,corrosion process and machining accuracy

2.2 手工氬弧焊工藝

手工氬弧焊接熱輸入較大，存在較大熱應力，需要熱處理去除應力。同時為提高產品表面質量，改善熱處理過程中的氧化，熱處理前需要除油酸洗，熱處理后需要酸洗去除氧化皮。

為避免焊接和熱處理變形的影響，除后續校圓工序外，還需要在零件兩端增加高度方向的加工余量，在校圓后加工去除。由于兩端都留有加工余量，需要兩次安裝車切夾具加工。

2.3 殼體新加工工藝

2.3.1 激光切割工藝

殼體展開見圖4，使用激光切割機精確加工零件展開料的內外輪廓（無余量），殼體內部異形孔對焊縫位置和筋寬尺寸一次數控加工而成，加工精度高（±0.1 mm）、周期短，效率大大提高。

圖4 殼體展開Fig.4 Unfolded-drawing of filter framework

由于展開料已加工處的扇形孔不需要后續的吹砂、化銑工序，不存在銳邊，打磨工序也得以取消。

2.3.2 激光焊接工藝

激光焊接屬于高能束焊接，熱影響區小，不需要進行熱處理消除應力，也不會存在因熱處理產生的氧化皮，酸洗工序因此也不需要。

卷筒后對縫處拋光去除毛刺后進行激光焊接。由于激光焊接變形量小，且無需熱處理，因此展開料加工時可以不設置加工余量，后續車削只需要倒角，無需換刀，一次裝卡即可完成加工。

2.4 新舊工藝加工效率及成本分析對比

在液氧煤油發動機研制生產過程中，殼體作為搖擺軟管過濾器的主要零件，一直采用手工氬弧焊工藝進行產品的焊接。兩端頭加焊接試片，焊接完成后焊縫需要與基本金屬平齊，焊縫在碾縫機上進行碾壓，再手工打磨焊縫。由于手工氬弧焊能量密度小，零件變形大，殘留內應力大，焊縫余高大，打磨工作量大，一件產品的焊接時間約為 25 min，生產效率較為低下。

化學銑切加工的工時費及材料費，多半是由預清潔處理、涂覆防蝕層、腐蝕加工和清除防蝕層等4個階段決定的。工藝改進后的工時成本分析見表1，實物對比見圖6。

由表1可以看出，新工藝不僅縮短了工藝流程，而且提高了效率、降低了成本、節約了化學品耗材。每件產品的生產總時間僅為原工藝的30%。

表1 工藝改進前后成本及效率對比（按批量30件折算成單件工時）Tab.1 Comparison of cost and efficiency before and after process improvement(Converted to single piece work hours in batches of 30 pieces)

3 工藝參數

3.1 1Cr18Ni9Ti不銹鋼激光焊接性試驗

殼體所用材料是1Cr18Ni9Ti，材料化學成分見表2，開展殼體材料的激光焊接性試驗。

表2 不銹鋼1Cr18Ni9Ti化學成分（質量分數）Tab.2 Chemical composition of stainless steel 1Cr18Ni9Ti(mass fraction) %

為了驗證 1Cr18Ni9Ti不銹鋼激光焊工藝性，進行不銹鋼試板激光焊試驗。先進行不銹鋼單板的焊接，獲得2.5 mm厚不銹鋼激光焊工藝參數范圍，然后進行對接試板的焊接試驗。按 GB/T 19866—2005進行激光焊接工藝評定。首先對對接試板焊縫進行X光探傷，要求焊縫質量滿足QJ 972—86 II級焊縫標準，然后在焊縫穩定區域切取金相試樣和拉伸試樣，檢測接頭力學性能和焊縫形貌。

不銹鋼試板激光焊接工藝參數見表3，在此焊接工藝參數下進行了2.5 mm不銹鋼對接試板的激光焊接。不銹鋼對接試板激光焊焊縫成形見圖5，焊縫正面及背面均為銀白色，未出現表面氣孔、裂紋、咬邊、焊瘤等表面焊接缺陷，滿足 Q/RJ 71—2000和 QJ 1842—95 II級標準要求。

表3 不銹鋼試板激光焊接工藝參數Tab.3 Laser welding parameters of stainless steel test plate

圖5 1Cr18Ni9Ti激光焊接焊縫成形Fig.5 Morphology of laser weld seam of 1Cr18Ni9Ti

焊縫檢測結果見圖6，焊縫X光探傷，確認不存在氣孔和裂紋缺陷，焊縫質量滿足設計文件技術要求和QJ 972—86 I級、QJ 1842—95 II級焊縫要求，焊縫質量合格。按GB 2651—89標準，在焊縫穩定區域切取拉伸試樣，檢測接頭力學性能。接頭抗拉強度為580 MPa和590 MPa，接頭強度大于母材強度的90%，滿足I級焊縫要求，斷裂發生在熱影響區處，斷裂類型為塑性斷裂，從斷口形貌可以看出，斷裂前材料存在較為明顯的頸縮。由圖6可知，焊縫形貌為上寬下窄的柱形，未存在微觀缺陷。

通過 2.5 mm厚不銹鋼試板激光焊試驗可以看出，2.5 mm厚1Cr18Ni9Ti不銹鋼激光焊接性極好，選用合理的焊接工藝參數，可以獲得無缺陷高強度的焊接接頭，接頭質量滿足技術條件要求和激光焊接標準要求。

3.2 產品的試生產

激光切割設備采用 Trumpf公司激光沖裁復合加工中心TC600L。激光系統由激光器、激光傳輸系統、控制系統、運動系統、傳感與檢測系統組成。激光器為CO2氣體脈沖式激光器，光束橫截面上光強分布接近高斯分布，具有極好的光束質量。

基于試板焊接試驗和產品模擬件的焊接，進行殼體產品的激光焊接試生產，激光切割工藝參數見表4。

圖6 焊縫檢測結果Fig.6 Test result of weld seam

表4 激光切割工藝參數Tab.4 Technological parameter of laser cutting

焊接后產品各尺寸均檢驗合格，尺寸見圖7和表5，激光焊縫狀態見圖8，原工藝和新工藝的扇形孔表面狀態對比見圖9。

圖7 產品需檢測的尺寸Fig.7 Dimensions of products to be tested

表5 試生產殼體實測尺寸Tab.5 Measured dimensions of trial production frameworks

圖8 激光焊接加工的殼體Fig.8 Laser-welded framework

圖9 化銑后打磨邊緣質量與激光一次切割邊緣質量比較Fig.9 Comparison of polishing quality after chemical milling with laser cutting

4 結論

激光切割、激光焊屬于高能束焊接范疇，激光焊采用高能激光束作為熱源，具有接頭強度高焊接變形小等優點。通過不銹鋼激光焊接性試驗、模擬件激光焊接試驗和殼體產品的試生產，可得出以下結論。

1）殼體模擬試驗件激光焊接試驗確定了焊縫最佳工藝參數及焊縫形貌。對激光焊接的殼體試驗件進行了X光檢測和剖切檢查，滿足QJ 1842—95 II級焊接標準要求。

2）殼體模擬試驗件激光焊焊接接頭性能強度均大于母材強度的90%，滿足QJ 1842—95 II級焊接標準要求，斷裂發生在母材上或熱影響區。

3）殼體的新工藝試生產，焊接過程穩定可靠，焊接工藝穩定可行。焊縫質量滿足現有技術要求。

4）由于激光焊在大氣環境下進行，產品的焊接時間縮短至5 min以內，相比手工氬弧焊接，產品的焊接加工效率提升 2倍以上。新工藝減少了化銑工序，不僅縮短了工藝流程，而且提高了效率、降低了成本，每件產品的生產總時間僅為原工藝的30%。