儲氣罐悶頭與毛細管焊接方法研究

葛 寧 王曉玲 趙和明

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儲氣罐悶頭與毛細管焊接方法研究

葛 寧 王曉玲 趙和明

（上海空間推進研究所，上海 201112）

通過彎曲試驗、扭轉試驗、拉脫試驗和微觀分析，對比儲氣罐悶頭和毛細管采用激光焊和錫焊兩種焊接方法的焊接質量。結果表明，激光焊和錫焊的彎曲和扭轉性能相當；激光焊的拉脫性能優于錫焊；錫焊存在局部未覆蓋情況，影響焊接強度，激光焊縫成型較好，未出現氣孔、夾雜、裂紋等缺陷。

悶頭；毛細管；激光焊；錫焊

1 引言

儲氣罐是導彈武器系統中地面能源的重要組成部分，其作用為貯存高壓氬氣，系統工作時，儲氣罐內高壓氬氣利用節流效應對彈上紅外探測器制冷，達到提高探測器精度的目的，使導彈進入發射狀態。儲氣罐的悶頭與毛細管采用焊接的方法連接，本文針對錫焊和激光焊兩種焊接方法，焊接悶頭和毛細管，通過對比兩種焊接方法的焊接性能，為儲氣罐悶頭與毛細管焊接方式的確定提供依據。

2 產品結構及焊接方法介紹

2.1 產品結構

為適應地面能源的安裝結構，儲氣罐采用了螺旋形結構，儲氣罐實物如圖1所示。儲氣罐通過悶頭和壓緊螺母螺紋連接地面能源接口，形成可靠密封，保證儲氣罐內高壓氬氣通過管路進入導彈，而不會發生泄漏。工作時，地面能源的點火電路引爆電爆閥，推動撞針切斷儲氣罐毛細管，儲氣罐中高壓氬氣沖出，通過管路進入探測器，儲氣罐與地面能源接口示意圖如圖2所示。

圖1 儲氣罐實物

圖2 總體接口連接示意圖

2.2 焊接方法

悶頭與毛細管采用的焊接方法一般有錫焊、激光焊。錫焊的焊接原理是加熱焊錫使之融化為液體，流到悶頭與毛細管之間的縫隙，錫焊中的錫和鉛的任何一種原子便會進入悶頭和毛細管的晶格，在焊接間形成金屬合金，使其可靠地連接在一起[1]。從微觀角度分析錫焊過程的物理/化學變化，錫焊主要通過潤濕、擴散以及冶金三個過程完成。錫焊具有操作方便，對毛細管不造成損傷等優點。

激光焊接是一種高效精密焊接方法，其利用高能量密度的激光束作為熱源[2]。激光焊接方法具有焊接質量穩定、焊接變形量小以及焊縫強度高等優點。同時，激光焊接無需真空環境和近乎苛刻的剛性支撐，工藝柔性更好，對各種接頭形式的適應性更強[3～5]。

3 試驗材料和方法

毛細管的規格為1.6mm×0.4mm，材料為1Cr18Ni9Ti，悶頭的結構形式如圖3所示，材料為1Cr18Ni9Ti。

圖3 悶頭的結構形式

激光焊接采用ML2350A激光焊機，激光入射方向與工作臺轉軸30°～40°，采用悶頭大端和小端兩端焊接，激光焊接過程的保護氣體為高純氬氣，高純氬氣的純度為99.999%，優化后的焊接工藝參數如表1所示。

表1 激光焊焊接參數

錫焊采用電烙鐵，首先在待焊部位滴入1～2滴磷酸釬劑（H3P04），并用電烙鐵預熱待錫焊的部位，隨后填入錫焊絲并通電錫焊，錫焊絲為HLSn40PbA，直徑為1.6～2.5mm，優化的錫焊焊接溫度為（350±15）℃，焊接試驗為3～5s。

焊接完成后檢查試樣焊縫外觀，合格后對比驗證試驗，包括彎曲、扭轉、拉脫、焊縫微觀組織形貌。

彎曲和扭轉試驗的試樣如圖4所示，將悶頭和毛細管焊接后的試樣與六角螺母焊接，試驗時將悶頭部位固定，在外套螺母部位施加彎矩和扭矩，其中，為儲氣罐悶頭與地面能源對接后焊縫部位承受彎矩和扭矩的力臂長度。

圖4 拉伸、扭轉試樣

4 試驗結果及分析

4.1 彎曲試驗

表2 彎曲試驗結果

圖5 悶頭斷裂形貌

對圖4中的彎曲試樣進行彎曲試驗，夾持悶頭，對悶頭大端毛細管反復彎曲試驗，試驗的彎曲角度為單邊45°，試驗以毛細管出現裂紋或焊縫處斷裂為終止條件。兩種焊接方式各進行了三件試樣的彎曲試驗，試驗結果如表2所示，結果表明，采用激光焊和錫焊，彎曲性能相當，激光焊的彎曲次數略高于錫焊，兩種焊接方式均有較大的安全系數。使用電子顯微鏡觀察試樣彎曲斷裂后斷口的宏觀和微觀形貌，分析結果如圖5所示，結果表明，斷口的主要形貌為韌窩，斷裂的性質屬于過載塑性斷裂，非焊接因素造成。

4.2 扭轉試驗

對圖4中的扭轉試樣進行了扭轉試驗，夾持悶頭，在六角螺母處施加力矩扭轉，扭轉角度為90°，試驗以毛細管出現裂紋或焊縫處斷裂為終止條件。兩種焊接方式各進行了三件試樣的扭轉試驗，試驗結果如表3所示，結果表明，采用激光焊和錫焊，扭轉性能相當，激光焊的扭轉次數略高于錫焊，兩種焊接方式均有較大的安全系數。扭轉試驗失效后的試樣形貌如圖6所示，六件試樣的失效形式均為毛細管出現裂紋，驗證了激光焊和錫焊均具有較高的扭轉性能。

表3 扭轉試驗結果

圖6 扭轉試樣失效形貌

4.3 拉脫試驗

為驗證兩種焊接試樣的抗拉強度，進行了兩種焊接方式試樣的拉脫試驗，試驗采用逐步加載方式，試驗以悶頭從毛細管脫落或拉脫力到達預期值為終止條件。兩種焊接方式各進行了兩件試樣的拉脫試驗，兩件錫焊試樣的拉脫分別增加至30kg、33kg時，悶頭從毛細管脫落，試驗結束。兩件激光焊試樣的拉脫力分別增加至60kg時，悶頭和毛細管狀態完好，施加力已到達預期值，試驗結束。由試驗結果可知，激光焊試樣的拉脫強度明顯優于錫焊試樣。

4.4 微觀分析

圖7 錫焊試樣毛細管錫焊部位形貌

分析經歷了拉脫試驗的錫焊試樣的悶頭和毛細管。檢查錫焊試樣脫落處毛細管的錫焊部位外觀，錫焊料在虹吸的作用下宏觀上填滿了悶頭和毛細管的間隙，且在悶頭小端能明顯看到焊料。使用電子掃描顯微鏡觀察錫焊部位，整圈覆蓋長度為3.13mm，大于悶頭長度3mm，毛細管外表面錫焊部位存在局部未覆蓋情況，錫焊料的覆蓋率不能達到100%，分析結果如圖7所示。

使用電子掃描顯微鏡分析經歷了拉脫試驗的激光焊試樣，宏觀和微觀形貌如圖8所示，分析結果表明，激光焊焊縫未出現氣孔、夾雜、裂紋等缺陷。對兩種焊接試樣的宏觀和微觀分析表明，錫焊試樣存在局部未覆蓋情況，影響了焊接的強度，激光焊試樣焊縫成型較好，無內部缺陷。

圖8 激光焊試樣形貌

5 結束語

激光焊和錫焊試樣進行了彎曲試驗、扭轉試驗、拉脫試驗和微觀分析，試驗結果表明：

a. 激光焊和錫焊試樣的彎曲和扭轉性能相當；

b. 激光焊試樣的拉脫性能明顯優于錫焊，為錫焊的2倍以上；

c. 錫焊試樣存在局部未覆蓋情況，影響焊接的強度，激光焊試樣焊縫成型較好。

綜上所述，激光焊的性能優于錫焊，且激光焊工藝質量可控，人為因素小，能夠確保悶頭與毛細管的連接強度穩定性，適用于悶頭與毛細管的焊接。

1 李廣建. 電烙鐵錫焊技術[J]. 工程技術，2010(17)：87

2 王素環，肖雪峰，韓曉輝，等. 不銹鋼激光焊與電弧焊焊接性對比研究[J]. 焊接技術，2014，43(2)：18～20

3 陳彥賓. 現代激光焊接技術[M]. 北京：科學出版社，2005

4 陳彥賓. 國防焊接技術研究應用現狀與發展[J]. 國防制造技術，2009(3)：9～11

5 趙耀邦，徐愛杰，姜勇，等. 激光焊接技術研究進展及其在航天領域的應用[J]. 航天制造技術，2013(3)：55～58

Study on Welding Method of Connector and Capillary of Gas Storage Tank

Ge Ning Wang Xiaoling Zhao Heming

(Shanghai Institute of Space Propultion, Shanghai 201112)

Through bending test, torsion test, pull-out test and microscopic analysis, the welding quality of gas storage tank connector and capillary welded by laser welding and tin welding was compared. The results show that the bending and torsion properties of laser welding and tin welding are equivalent; laser welding is superior to tin welding in pull-out performance; tin welding has partial uncovered venture, which affects the welding strength, laser welding is well formed without defects such as blowholes, inclusions and cracks.

connector；capillary；laser welding；tin welding

葛寧（1988），工程師，航空宇航推進理論及工程專業；研究方向：空間壓力容器設計。

2018-12-24