不銹鋼空氣舵真空擴散焊工藝

□ 高友價

常德翔宇設備制造有限公司 湖南常德 415000

1 研究背景

空氣舵是飛行器飛行路線的執行機構[1],在飛行過程中通過改變空氣舵的角度,可以實現對飛行器飛行姿態的控制。空氣舵的氣動外形精度直接影響飛行器的控制精度,是飛行器的重要部件。為確保飛行器控制精度,在加工制造過程中必須保證極高的制造精度,尤其是空氣舵的舵面需要保證極高的對稱度。

焊接是制造空氣舵必不可少的工藝技術。國營二八三廠在氬弧焊焊接空氣舵方面有很高的造詣,通過機加工工藝先將中空骨架舵體加工成型,再用氬弧焊對兩側薄壁舵面進行焊接,焊接最薄舵面不大于0.2 mm。由這一工藝焊接的空氣舵,有一定的焊接殘余應力,并且對焊接操作人員的技術有極高要求。張麗娜等[2]研究了鈦合金舵芯的電子束焊接工藝,通過分析蒙皮與骨架的接頭型式及優化焊接順序,得到焊縫外觀成形良好、內部質量好、焊接變形小的舵芯。梅述文等[3]研究了鈦合金蒙皮骨架結構件光纖激光焊工藝,通過優化激光焊新型噴嘴及工藝參數,得到800 MPa拉伸強度的焊接接頭。無論是氬弧焊、電子束焊,還是激光焊,均會在焊接零件上殘留一定的焊接應力,雖然可以對焊后零件進行一些校形,但是由于零件兩側翼面為復合斜面結構,缺乏校正基準,很難得到高精度的舵面。在焊前留有一定的加工余量,再進行機械加工,這樣雖然舵面輪廓與位置精度能夠得到一定保證,但是焊接變形會導致舵面的壁厚均勻性產生偏差,并且舵面壁厚一般不大于1.5 mm,壁厚偏差會對舵面結構強度產生影響。

1934年成立的烏克蘭巴頓焊接研究所在焊接技術方面進行了大量研究工作[4],取得了很多研究成果,并且廣泛應用于蘇聯的航天航空、核能工程、機械制造、石油化工等領域,所研究的真空狀態加溫加壓固相焊接技術,即真空擴散焊接技術,具有焊后變形小、焊接應力殘余少的優點。美國、日本、英國、法國等發達國家在真空擴散焊研究與應用方面同樣走在世界前列,并且針對真空擴散焊的結合性質,提出各種理論流派,如薄膜理論、再結晶理論、泛錯理論、能量理論、空穴理論、擴散理論等[5]。我國對擴散焊的研究起步于20世紀60年代初期,隨著真空擴散焊的優點被眾人所認可,對真空擴散焊設備的研制及焊接工藝的研究也取得一定進步。目前,我國已有千噸級大型真空擴散焊設備。真空擴散焊設備各系統如圖1所示。

真空擴散焊指在真空環境中相互接觸、純凈的材料表面在高溫和壓力的作用下相互靠近,發生局部塑性變形,原子間產生相互擴散,在界面形成新的擴散層,從而形成可靠的連接[6]。真空擴散焊通過液壓油缸軸向加壓的方式,實現大面積、大噸位復雜構件多處焊縫的連接。1Cr18Ni9Ti不銹鋼具有優良的耐蝕性、耐熱性,以及良好的機械加工性,廣泛用于航空航天產品關鍵重要零部件的制造[7]。王西雁等[8]對1Cr18Ni9Ti不銹鋼真空擴散焊進行研究,基本確定了1Cr18Ni9Ti不銹鋼的擴散焊參數,焊合率達到100%,焊接強度接近甚至達到母材強度。真空擴散焊的優點能夠很好地滿足空氣舵的焊接及制造要求。

▲圖1 真空擴散焊設備各系統

2 空氣舵真空擴散焊工藝

2.1 焊前工藝方案

通過分析空氣舵的結構,將空氣舵分為上半件、下半件兩個對稱件,在舵面外側及四周留有工藝余量,用作真空擴散焊過程的加壓承力面及真空擴散焊焊后的工藝基準。在數控加工中心上將空氣舵中空腔體及隔筋加工成型。空氣舵分塊件如圖2所示。

▲圖2 空氣舵分塊件

2.2 工藝流程

空氣舵真空擴散焊工藝流程如下:

(1) 用機械加工手段加工空氣舵上半件和空氣舵下半件;

(2) 進行真空擴散焊焊前去油、去污清洗,以及鍍鎳處理;

(3) 進行真空擴散焊焊前精洗、吹干,空氣舵進入無塵間裝配;

(4) 空氣舵轉移進爐,空氣舵真空擴散焊爐內情況如圖3所示;

▲圖3 空氣舵真空擴散焊爐內情況

(5) 按真空擴散焊工藝參數施焊,1Cr18Ni9Ti不銹鋼真空擴散焊工藝參數如圖4所示。

▲圖4 1Cr18Ni9Ti不銹鋼真空擴散焊工藝參數

為了保證升溫的均勻性,按圖4所示階梯升溫加壓實施真空擴散焊,加壓時真空度不高于3×10-3Pa。保溫保壓后,停止加熱。待爐溫降至100 ℃后,打開爐門,取出空氣舵。

2.3 焊后加工及檢測

空氣舵在真空擴散焊前,兩側復合斜面的舵面留有工藝余量,作為焊后加工的工藝基準。基于該工藝余量的基準面加工兩側舵面,再去除四周工藝余量,直至空氣舵成型[9]。通過手持式掃描儀對空氣舵進行三維掃描檢測。手持式掃描儀如圖5所示,基本參數見表1。

三維掃描空氣舵成品與理論空氣艙精度對比如圖6所示。由圖6可以看出,舵面輪廓度精度不底于0.1 mm,空氣舵舵面輪廓度的高精度要求及兩側舵面的對稱度要求能夠得到保證,基于真空擴散焊焊前工藝基準加工的兩側復合斜舵面的壁厚均勻性也能夠得到保證。

▲圖5 手持式掃描儀

表1 手持式掃描儀基本參數

▲圖6 三維掃描空氣舵成品與理論空氣舵精度對比

3 焊后取樣金相分析

由于空氣舵結構厚度不大于30 mm,不足以取樣做拉伸試棒,因此取空氣舵工藝邊料按GB/T 26955—2011[10]做金屬材料焊縫破壞性試驗,按GB/T 6394—2017[11]進行晶粒度對比。

空氣舵上半件、下半件焊縫位置金相組織結構如圖7所示。由圖7可以看出,焊縫未見未熔合及未焊透,且未見裂紋、層狀撕裂、孔穴、夾渣等缺陷。

▲圖7 空氣舵焊縫位置金相組織結構

焊后空氣舵上半件母材晶粒度為五級,如圖8所示。焊后空氣舵下半件母材晶粒度為八級,如圖9所示。由金相分析可以得出,1Cr18Ni9Ti不銹鋼空氣舵真空擴散焊的焊合率能夠得到保證,母材晶粒度未發生較大改變[12]。

▲圖8 焊后空氣舵上半件母材晶粒度

▲圖9 焊后空氣舵下半件母材晶粒度

4 結束語

筆者通過對不銹鋼空氣舵舵體的制造工藝進行分析,提出針對不銹鋼空氣舵采用真空擴散焊工藝,能夠滿足復合斜面結構空氣舵的輪廓度、對稱度高精度,以及舵面壁厚均勻的制造要求,同時也能夠滿足性能需求,為金屬類空氣舵的制造提供了借鑒和參考。