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表面張力貯箱電子束焊接設(shè)計(jì)要求及與焊縫熔深之間關(guān)系
來源：火箭推進(jìn) 瀏覽 1244 次 發(fā)布時間:2023-12-12
通過研究對接式和搭接式焊縫試板電子束流與焊縫熔深之間的關(guān)系、焊接順序與角變形高度之間的關(guān)系，得出了表面張力貯箱前（后）艙推進(jìn)劑管理裝置上（下）組件電子束焊接工藝規(guī)范，即加速電壓為60 kV，焊接速度為500 mm/min，工作距離為300 mm，電子束流為6 mA，聚焦電流為2.11 A，電子束偏移量為0.1 mm的焊接工藝規(guī)范。采用該工藝規(guī)范焊接的表面張力貯箱前（后）艙推進(jìn)劑管理裝置上（下）組件焊后和振動試驗(yàn)后的泡破點(diǎn)實(shí)測值滿足設(shè)計(jì)要求。該表面張力貯箱已用于某型號上面級液體發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)已通過了地面熱試車考核。
表面張力貯箱性能優(yōu)越、可靠性高，廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動機(jī)和推力裝置之中，已經(jīng)成為軌姿控液體火箭發(fā)動機(jī)和推力裝置實(shí)用的主流貯箱。貯箱在液體火箭發(fā)動機(jī)和推力裝置中是用來存儲和管理推進(jìn)劑的，其主要作用是：在一定的流量和加速度條件下，為發(fā)動機(jī)或推力裝置各個階段的工作供應(yīng)不夾氣的推進(jìn)劑；防止、阻尼以及衰減推進(jìn)劑的大幅晃動或其它有害運(yùn)動；保持和穩(wěn)定貯箱內(nèi)推進(jìn)劑的質(zhì)心位置，以防止發(fā)生過大偏移；在意外情況或再次加注推進(jìn)劑時，確保貯箱不夾液排氣。表面張力貯箱的核心部件是安裝在貯箱殼體內(nèi)部的推進(jìn)劑管理裝置，該裝置根據(jù)使用的毛細(xì)元件，分為篩網(wǎng)式、孔板式和網(wǎng)板組合式推進(jìn)劑管理裝置。篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置采用編織的不銹鋼或純鈦篩網(wǎng)組件作為多孔毛細(xì)元件；孔板式推進(jìn)劑管理裝置采用激光或電子束打孔的薄板組件作為多孔毛細(xì)元件；網(wǎng)板組合式推進(jìn)劑管理裝置采用篩網(wǎng)和孔板組件作為多孔毛細(xì)元件。本文介紹的表面張力貯箱采用篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置，該裝置是通過電子束焊接成型的。
表面張力貯箱電子束焊接設(shè)計(jì)要求
電子束焊接具有能量密度高，熱輸入量小，能量易于控制等特點(diǎn)，表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置采用電子束焊接完成，焊接表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置時，要求焊接變形量小，焊接精度高，焊接成型的篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置要求滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置的結(jié)構(gòu)示意簡圖見圖1，它由下壓板、下普通支板等構(gòu)成，材料為1Cr18Ni9Ti，圖中的粗黑線為電子束焊縫位置。表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置組件通過振動試驗(yàn)后泡破點(diǎn)值Δpcr≥5.6 kPa。
圖1后艙管理裝置下組件結(jié)構(gòu)及電子束焊縫位置示意圖
要獲得表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置組件電子束焊接工藝規(guī)范，需采用與產(chǎn)品厚度和材料一致的標(biāo)準(zhǔn)試板進(jìn)行電子束焊接工藝試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試板焊縫熔深的檢測結(jié)果，以確定準(zhǔn)確、合適的表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置組件電子束焊接工藝規(guī)范。
電子束焊接工藝試驗(yàn)
表面張力貯箱前（后）艙篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置上（下）組件焊縫分為對接式和搭接式焊縫，表面張力貯箱篩網(wǎng)式推進(jìn)劑管理裝置組件焊后和振動試驗(yàn)后的泡破點(diǎn)值Δpcr≥5.6 kPa，為此，對接焊縫熔深h對接≥1 mm，搭接焊縫熔深h搭接≥0.8 mm。為了減少電子束焊接過程中的熱輸入量，在每個支板組件的邊緣通過銑切機(jī)加工，加工出了厚度h=0.5 mm，寬度l=1 mm的臺階。
篩網(wǎng)泡破點(diǎn)
當(dāng)采用篩網(wǎng)作為表面張力貯箱推進(jìn)劑管理裝置的毛細(xì)元件時，篩網(wǎng)所能維持的最大靜壓力即為篩網(wǎng)的泡破點(diǎn)值Δpcr，也就是氣體穿過篩網(wǎng)時所需的壓差，其關(guān)系式見公式1：
式中：DBP為篩網(wǎng)的有效孔徑，mm；Δpcr為篩網(wǎng)的泡破點(diǎn)值，kPa；σ為工作介質(zhì)的表面張力，N。
由公式1可知，篩網(wǎng)泡破點(diǎn)值理論上與工作介質(zhì)的表面張力和篩網(wǎng)的有效孔徑有關(guān)，在工作介質(zhì)一定的情況下，控制電子束焊接過程中篩網(wǎng)孔徑的變化是確保電子束焊接后篩網(wǎng)泡破點(diǎn)值滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
結(jié)論
在研究對接式和搭接式焊縫試板電子束焊接工藝電子束流與焊縫熔深之間關(guān)系以及焊接順序與角變形量之間關(guān)系的基礎(chǔ)之上，得出了電子束焊接表面張力貯箱前（后）艙推進(jìn)劑管理裝置上（下）組件的工藝規(guī)范，即加速電壓為60 kV，焊接速度為500 mm/min，工作距離為300 mm，電子束流為6 mA，聚焦電流為2.11 A，電子束偏移量為0.1 mm的焊接工藝規(guī)范。采用該工藝規(guī)范焊接的表面張力貯箱前（后）艙推進(jìn)劑管理裝置上（下）組件焊后的驗(yàn)收和鑒定量級振動試驗(yàn)后的泡破點(diǎn)實(shí)測值滿足設(shè)計(jì)要求。由此說明：表面張力貯箱推進(jìn)劑管理裝置電子束焊接工藝及其方法是合理可行的，焊接工藝規(guī)范是合適的、正確的。采用該工藝規(guī)范焊接的表面張力貯箱已用于某型號上面級液體發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)已通過了地面熱試車考核。