CN113231726B - 一种铝合金贮箱薄壁环形结构无飞溅电子束焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铝合金贮箱薄壁环形结构无飞溅电子束焊接方法，包括步骤如下：保持贮箱前底焊口为“Ⅰ”形焊口；在贮箱筒段焊口设置一圈截面为V形的内锁底结构；将贮箱前底焊口与贮箱筒段焊口对接，对贮箱前底和贮箱筒段进行装配；采用高能电子束进行焊接，高能电子束的束流位于焊缝的中心，完成贮箱封箱焊接。本发明采用特定的锁底焊接结构形式：该锁底为扁“V”形的不等厚锁底结构，底部厚度较厚，两侧厚度较薄，有别于常规等厚锁底结构，优点是既保持了较高的防止电子束焊穿的工艺裕度，又最大程度减少了因锁底造成的结构增重。本发明用于全焊接结构大直径铝合金薄壁贮箱环形封箱焊缝焊接，该贮箱应用于对重量要求极为严格的火箭上面级中。

Description

一种铝合金贮箱薄壁环形结构无飞溅电子束焊接方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金贮箱薄壁环形结构无飞溅电子束焊接方法，属于金属材料及工艺技术领域。
背景技术
一种全焊接结构的铝合金薄壁贮箱结构，由前底4、后底6和筒段5等零件焊接而成，贮箱封箱装配见图1。该贮箱位于火箭顶端的上面级，一发火箭需要用到四个这样的贮箱。该贮箱采用高能电子束焊接，由于电子束能量密度非常集中，传统“Ⅰ”型电子束穿透焊会在焊缝背面(贮箱内部)产生很多飞溅物，部分飞溅物会附着在焊缝背面形成多余物，需要焊后进行清除。由于贮箱上的管嘴和法兰结构开口直径很小，现有工具不能进入箱体内部空间，不能有效清除焊接飞溅。因此，需要无飞溅电子束焊接，常规等厚度锁底结构焊接虽然能防止焊接飞溅，但锁底部分会增加贮箱的总质量(重量)，火箭上面级和以上的卫星为有效载荷，其零件质量以“克”为单位的，对零件重量控制要求极为严格，常规等厚度锁底结构不能满足设计提出的贮箱重量控制要求，需要在锁底重量控制和防止电子束焊穿两个要求之间寻找一个最佳平衡。因此需要开发一种新的无飞溅电子束焊接方法同时满足防飞溅和锁底重量控制两项要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：本发明提供一种铝合金贮箱薄壁环形结构无飞溅电子束焊接方法，采用异型截面锁底结构形式，既有足够的防止电子束焊穿的裕度，又能使锁底自身截面积最小，可以将锁底结构带来的增重减到最小。同时，设置合理的电子束焊接工艺规范和流程，使封箱焊缝内部质量符合GJB1718A《电子束焊》Ⅰ级要求。本发明的方法防止全焊接结构的薄壁铝合金贮箱电子束焊接时锁底焊穿、内部产生多余物；使封箱焊缝锁底结构对贮箱产生的额外增重最小。
本发明所采用的技术方案如下：一种铝合金贮箱薄壁环形结构无飞溅电子束焊接方法，包括步骤如下：
保持贮箱前底焊口为“Ⅰ”形焊口；在贮箱筒段焊口设置一圈截面为V形的内锁底结构；
将贮箱前底焊口与贮箱筒段焊口对接，对贮箱前底和贮箱筒段进行装配；采用高能电子束进行焊接，高能电子束的束流位于焊缝的中心，完成贮箱封箱焊接。
贮箱前底的内径D1＝950～1350mm，D1的公差为0～0.22mm，壁厚δ1＝2.5～3.5mm。
贮箱筒段的内锁底结构的外径D2＝D1，D2的公差为-0.12～0mm，贮箱筒段焊口的外壁的对接厚度δ2＝δ1。
内锁底结构的尺寸如下：
锁底结构宽度a＝10～18mm，锁底锁定结构厚度b＝3.0～5.0mm，锁底结构伸出焊口的距离c＝4.0～8.0mm，锁底结构导向距离d＝2.0～4.0mm，锁底结构末端圆角半径r1＝1～3mm，锁底向基材过渡圆角r2＝0.5～1.0mm，锁底结构导向角度θ＝10～20°，锁底夹角β＝15～20°。
采用高能电子束焊的方法进行焊接时，参数如下：加速电压为60～80KV，焊接束流为20～30mA，离焦量为0～-2mm，焊接速度为15～25mm/s。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明在贮箱筒段内侧设置扁V形内锁底结构，具有足够的焊口强度和防止焊穿的电子束焊接工艺裕度。与常规等厚度锁底结构相比，单个贮箱可减重约143g，一发火箭需要用到四个这样的贮箱，总计可减重572g，相当于增加了572g的有效载荷，效益明显。
(2)本发明的方法用于全焊接结构的贮箱封箱焊接及其类似结构的可靠连接。现有的电子束焊接工艺，焊缝质量满足GJB1718A《电子束焊》Ⅰ级要求，熔深大于焊口有效厚度但小于锁底厚度，能保证不焊穿，焊接可靠性高。
附图说明
图1为大尺寸铝合金薄壁贮箱封装示意图；
图2a为贮箱前底焊口局部放大图；
图2b为贮箱筒段焊口局部放大图；
图2c为装配后的焊接结构局部放大图；
图3为常规锁底焊接结构；
图4为扁V形锁底焊接结构。
图5为焊接后的焊缝放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种铝合金贮箱薄壁环形结构无飞溅电子束焊接方法，该方法的步骤包括：
(1)保持贮箱前底焊口1为“Ⅰ”形焊口。按图2a加工贮箱前底焊口结构，内径D1＝950～1350mm，D1公差为0～0.22mm，壁厚δ1＝2.5～3.5mm；
(2)在贮箱筒段焊口2设置一圈截面为V形的内锁底结构3。按图2b加工贮箱筒段焊口结构，贮箱筒段锁底外径D2＝D1，D2公差为-0.12～0mm，对接厚度δ2＝δ1。扁V形内锁底结构尺寸，锁底结构宽度a＝10～18mm，锁底锁定结构厚度b＝3.0～5.0mm，锁底结构伸出焊口的距离c＝4.0～8.0mm，锁底结构导向距离d＝2.0～4.0mm，锁底结构末端圆角半径r1＝1～3mm，锁底向基材过渡圆角r2＝0.5～1.0mm，锁底结构导向角度θ＝10～20°，锁底夹角β＝15～20°。
(3)贮箱前底焊口1与贮箱筒段焊口2对接，对贮箱前底4和贮箱筒段5进行装配：对零件表面进行除油、酸洗处理，除去表面油污及铝合金氧化膜；在专用焊接夹具上对二者进行装配，焊口部分如图2c。
(4)采用高能电子束进行焊接，高能电子束的束流位于焊缝6的中心，完成贮箱封箱焊接，如图5。采用高能电子束焊时参数如下：加速电压为60～80KV，焊接束流为20～30mA，离焦量为0～-2mm，焊接速度为15～25mm/s。
贮箱的最后一道焊缝，即前底4与筒段5焊缝采用一种特殊的锁底结构，该内锁底结构3要具备两个特点：1)具备足够厚度，保证在焊接时电子束不能击穿，因为击穿会产生飞溅；2)在保证不被电子束击穿的同时，锁底自身要足够小，以免造成过大的额外增重。因为一发火箭需要用到四个这样的贮箱。
封箱焊缝处的内锁底结构3的重要参数为锁底宽度a和厚度b，见图2b。其中，宽度决定于焊口结构强度，可以通过理论计算得到；厚度取决于焊口有效厚度和电子束焊接工艺条件。通常，厚度越大防止焊穿的工艺裕度就越大，同时厚度增加也会导致贮箱增重。经过多次试验和理论计算，在焊口有效厚度3.0mm的条件下，锁底厚度4.0mm为最优选择。
本发明为了在满足以上条件下进一步减重，在贮箱筒段5内侧设置了扁“V”形锁底结构3，在有效锁底厚度均为4.0mm的前低下，常规锁底结构截面积为55.009mm2，如图3；而扁V形锁底结构的截面积仅为38.296mm2，如图4。对于内径为960mm的贮箱而言，后者比前者减重约143g(单个贮箱)，一发火箭需要用到四个这样的贮箱，总计可减重572g。
贮箱筒段5与前底4装配后，采用特定的高能电子束工艺进行封装焊接，高能电子束的束流位于焊缝中心或光束位于焊缝中心，焊缝熔深大于焊口有效厚度且小于锁底厚度，保证不焊穿。
实施例1
一种大直径薄壁铝合金贮箱结构电子束无飞溅焊接方法，该方法的步骤包括：
(1)按图2a加工贮箱前底焊口结构，内径D1＝960mm，D1公差为0～0.22mm，壁厚δ1＝3.0mm；
(2)按图2b加工贮箱筒段焊口结构，贮箱筒段锁底外径D2＝960mm，D2公差为-0.12～0mm，对接厚度δ2＝3.0mm；扁V形内锁底结构尺寸，a＝14mm，b＝4.0mm，c＝6.0mm，d＝3.0mm，r1＝2.0mm，r2＝1.0mm，θ＝15°，β＝18°。
(3)对零件表面进行除油、酸洗处理，除去表面油污及铝合金氧化膜；
(4)在专用焊接夹具上对二者进行装配，焊口部分如图2c。
(5)采用高能电子束进行焊接，高能电子束的束流位于焊缝6的中心，完成贮箱封箱焊接。采用高能电子束焊的参数如下：加速电压为60KV，焊接束流为23mA，离焦量为0mm，焊接速度为18mm/s。
经检测，箱体封焊焊缝质量符合GJB1718A《电子束焊》Ⅰ级要求，锁底未焊穿无飞溅；相比等厚锁底结构，单个贮箱减重约143g。
实施例2
(1)按图2a加工贮箱前底焊口结构，内径D1＝1340mm，D1公差为0～0.22mm，壁厚δ1＝3.5mm；扁V形内锁底结构尺寸，a＝15mm，b＝4.5mm，c＝7.0mm，d＝3.5mm，r1＝2.0mm，r2＝1.0mm，θ＝15°，β＝18°。
(2)按图2b加工贮箱筒段焊口结构，贮箱筒段锁底外径D2＝1340mm，D2公差为-0.12～0mm，对接厚度δ2＝3.5mm；
(3)对零件表面进行除油、酸洗处理，除去表面油污及铝合金氧化膜；
(4)在专用焊接夹具上对二者进行装配，焊口部分如图5。
(5)采用高能电子束进行焊接，高能电子束的束流位于焊缝6的中心，完成贮箱封箱焊接。采用高能电子束焊时参数如下：加速电压为60KV，焊接束流为27mA，离焦量为0mm，焊接速度为18mm/s。
经检测，箱体封焊焊缝质量符合GJB1718A《电子束焊》Ⅰ级要求，锁底未焊穿无飞溅；相比等厚锁底结构，单个贮箱减重约233g。
本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (1)

1.一种铝合金贮箱薄壁环形结构无飞溅电子束焊接方法，其特征在于，包括步骤如下：
保持贮箱前底焊口(1)为“Ⅰ”形焊口；在贮箱筒段焊口(2)设置一圈截面为V形的内锁底结构(3)；
将贮箱前底焊口(1)与贮箱筒段焊口(2)对接，对贮箱前底(4)和贮箱筒段(5)进行装配；采用高能电子束进行焊接，高能电子束的束流位于焊缝(6)的中心，完成贮箱封箱焊接；
采用高能电子束焊的方法进行焊接时，参数如下：加速电压为60～80KV，焊接束流为20～30mA，离焦量为0～-2mm，焊接速度为15～25mm/s；
贮箱前底(4)的内径D1＝950～1350mm，D1的公差为0～0.22mm，壁厚δ1＝2.5～3.5mm；
贮箱筒段(5)的内锁底结构(3)的外径D2＝D1，D2的公差为-0.12～0mm，贮箱筒段焊口(2)的外壁的对接厚度δ2＝δ1；
内锁底结构(3)的尺寸如下：
锁底结构宽度a＝10～18mm，锁底锁定结构厚度b＝3.0～5.0mm，锁底结构伸出焊口的距离c＝4.0～8.0mm，锁底结构导向距离d＝2.0～4.0mm，锁底结构末端圆角半径r1＝1～3mm，锁底向基材过渡圆角r2＝0.5～1.0mm，锁底结构导向角度θ＝10～20°，锁底夹角β＝15～20°。
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