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表面张力贮箱电子束焊接设计要求及与焊缝熔深之间关系

来源:火箭推进 浏览 310 次 发布时间:2023-12-12

通过研究对接式和搭接式焊缝试板电子束流与焊缝熔深之间的关系、焊接顺序与角变形高度之间的关系,得出了表面张力贮箱前(后)舱推进剂管理装置上(下)组件电子束焊接工艺规范,即加速电压为60 kV,焊接速度为500 mm/min,工作距离为300 mm,电子束流为6 mA,聚焦电流为2.11 A,电子束偏移量为0.1 mm的焊接工艺规范。采用该工艺规范焊接的表面张力贮箱前(后)舱推进剂管理装置上(下)组件焊后和振动试验后的泡破点实测值满足设计要求。该表面张力贮箱已用于某型号上面级液体发动机。该发动机已通过了地面热试车考核。


表面张力贮箱性能优越、可靠性高,广泛应用于液体火箭发动机和推力装置之中,已经成为轨姿控液体火箭发动机和推力装置实用的主流贮箱。贮箱在液体火箭发动机和推力装置中是用来存储和管理推进剂的,其主要作用是:在一定的流量和加速度条件下,为发动机或推力装置各个阶段的工作供应不夹气的推进剂;防止、阻尼以及衰减推进剂的大幅晃动或其它有害运动;保持和稳定贮箱内推进剂的质心位置,以防止发生过大偏移;在意外情况或再次加注推进剂时,确保贮箱不夹液排气。表面张力贮箱的核心部件是安装在贮箱壳体内部的推进剂管理装置,该装置根据使用的毛细元件,分为筛网式、孔板式和网板组合式推进剂管理装置。筛网式推进剂管理装置采用编织的不锈钢或纯钛筛网组件作为多孔毛细元件;孔板式推进剂管理装置采用激光或电子束打孔的薄板组件作为多孔毛细元件;网板组合式推进剂管理装置采用筛网和孔板组件作为多孔毛细元件。本文介绍的表面张力贮箱采用筛网式推进剂管理装置,该装置是通过电子束焊接成型的。


表面张力贮箱电子束焊接设计要求


电子束焊接具有能量密度高,热输入量小,能量易于控制等特点,表面张力贮箱筛网式推进剂管理装置采用电子束焊接完成,焊接表面张力贮箱筛网式推进剂管理装置时,要求焊接变形量小,焊接精度高,焊接成型的筛网式推进剂管理装置要求满足设计技术要求。筛网式推进剂管理装置的结构示意简图见图1,它由下压板、下普通支板等构成,材料为1Cr18Ni9Ti,图中的粗黑线为电子束焊缝位置。表面张力贮箱筛网式推进剂管理装置组件通过振动试验后泡破点值Δpcr≥5.6 kPa。

图1后舱管理装置下组件结构及电子束焊缝位置示意图


要获得表面张力贮箱筛网式推进剂管理装置组件电子束焊接工艺规范,需采用与产品厚度和材料一致的标准试板进行电子束焊接工艺试验,根据标准试板焊缝熔深的检测结果,以确定准确、合适的表面张力贮箱筛网式推进剂管理装置组件电子束焊接工艺规范。


电子束焊接工艺试验


表面张力贮箱前(后)舱筛网式推进剂管理装置上(下)组件焊缝分为对接式和搭接式焊缝,表面张力贮箱筛网式推进剂管理装置组件焊后和振动试验后的泡破点值Δpcr≥5.6 kPa,为此,对接焊缝熔深h对接≥1 mm,搭接焊缝熔深h搭接≥0.8 mm。为了减少电子束焊接过程中的热输入量,在每个支板组件的边缘通过铣切机加工,加工出了厚度h=0.5 mm,宽度l=1 mm的台阶。


筛网泡破点


当采用筛网作为表面张力贮箱推进剂管理装置的毛细元件时,筛网所能维持的最大静压力即为筛网的泡破点值Δpcr,也就是气体穿过筛网时所需的压差,其关系式见公式1:

式中:DBP为筛网的有效孔径,mm;Δpcr为筛网的泡破点值,kPa;σ为工作介质的表面张力,N。


由公式1可知,筛网泡破点值理论上与工作介质的表面张力和筛网的有效孔径有关,在工作介质一定的情况下,控制电子束焊接过程中筛网孔径的变化是确保电子束焊接后筛网泡破点值满足设计技术要求的关键环节。


结论


在研究对接式和搭接式焊缝试板电子束焊接工艺电子束流与焊缝熔深之间关系以及焊接顺序与角变形量之间关系的基础之上,得出了电子束焊接表面张力贮箱前(后)舱推进剂管理装置上(下)组件的工艺规范,即加速电压为60 kV,焊接速度为500 mm/min,工作距离为300 mm,电子束流为6 mA,聚焦电流为2.11 A,电子束偏移量为0.1 mm的焊接工艺规范。采用该工艺规范焊接的表面张力贮箱前(后)舱推进剂管理装置上(下)组件焊后的验收和鉴定量级振动试验后的泡破点实测值满足设计要求。由此说明:表面张力贮箱推进剂管理装置电子束焊接工艺及其方法是合理可行的,焊接工艺规范是合适的、正确的。采用该工艺规范焊接的表面张力贮箱已用于某型号上面级液体发动机,该发动机已通过了地面热试车考核。


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