星船适配器环缝焊接工艺改进

潘彦云，武文，贾志欣

天津航天机电设备研究所 天津 300450

卫星适配器自从由结构焊接代替铸造后，成品率基本在95%～98%，经过补焊都能达到100%合格。但在材料的选用上都留有很大的加工余量，以防止因焊接变形而导致产品不合格。另外设计要求焊缝要达到QJ 2698A—2011的Ⅱ级焊缝，100%X射线检测。为了保证焊接质量，在外圈单V形坡口焊接完成进行车床清根后，做一次X射线检测，焊接完成后再进行一次最终的X射线检测。不仅提高了经济成本，也延长了生产周期，影响了加工效率。为了解决这些问题，以进一步规范适配器焊接制造工艺，通过多次试验，对焊接坡口、焊接方法、焊接参数都做了调整。生产出的适配器都优于之前工艺，生产出的产品，更加规范了适配器的焊接工艺。

1 零件结构特点

卫星、飞船适配器为焊接结构件，由上法兰、锥筒段（或直筒段）、下法兰焊接而成（见图1），直径一般约φ2000mm，高300～500mm。其中法兰和筒段自身也为板材拼焊件，本文只讨论上下两条环形焊缝。

图1 适配器焊接结构

2 5A06铝合金的性质及焊接特点

5A06是Al-Mg系合金中的典型合金，具有质量轻、强度高、耐蚀性良好、焊接性强的特点，广泛应用于航天航空制造中，但是铝镁合金在焊接中易产生气孔、裂纹、夹渣及未焊透等缺陷，而且线膨胀系数大，易产生焊接变形，严重影响产品质量及性能。通过近两年的研究，裂纹和夹渣都得到了有效控制，当前影响焊缝质量的主要因素，就是根部的未焊透及气孔，补焊最多的也是这两种缺陷。

3 产生未焊透和气孔的主要原因分析

（1）未焊透 适配器主要缺陷是根部未焊透，因为适配器是由上下法兰和筒段三部分组成。由于材料厚度都在30mm以上，筒段在滚制过程中圆柱度≥5mm，车制的坡口不在中性层上，因此装配定位焊时，筒段与法兰焊接易发生错边现象，导致焊接时难以熔透，产生未焊透缺陷。

上下2条环焊缝焊接坡口形式如图2所示。错边产生过程如图3所示。

（2）气孔 ①材料特性：由于液态铝在高温时能吸收大量的氢，冷却时氢在其中的溶解度急剧下降，固态时又不溶解氢，同时铝合金密度小，导热性很强，不利于气体的溢出，因此铝合金焊接易产生气孔。②氩气的纯度和流量：氩气的流量是影响熔池保护效果的一个重要参数。保护气体流量过小，氩气挺度不够，排除周围空气弱，保护效果差；保护气体流量大，不仅浪费氩气而且会引起喷出气流层流区缩短，穿流区扩大，将空气卷入保护区，反而降低保护效果，因此应选择合适的氩气流量，氩气流量与喷嘴直径大小有关。③氩气纯度对焊接质量也有较大影响，氩气纯度低，杂质多，可增加弧柱气氛中氢的含量，同时也降低“阴极雾化”的效果[1]。

图2 焊接坡口形式

图3 错边产生过程

（3）其他影响未焊透及气孔的因素 ①环境湿度≤70%，尽量控制在65%以下。②焊件坡口的选择及钝边的厚度、间隙。③焊接方法及弧长的控制，焊接参数的合理设置。

4 适配器改进后的工艺及新型工艺的对比

4.1 以某型号卫星适配器为例

上下法兰为φ1600mm、φ1930mm，厚度为80mm；筒段高度为480mm，厚度为35mm，如图4所示，焊缝为Ⅱ级焊缝100%X射线检测。

图4 某型号卫星适配器

4.2 坡口的选择

（1）旧工艺 采用双V形坡口，如图5所示，坡口角度为45°，钝边为2mm，间隙为2.5mm，采用这种坡口，当初是为了TIG焊打底时能有效地焊透，MIG焊接时焊枪的喷嘴能下降到焊缝的合适位置，保证焊道里的空气能被氩气有效排出，保证焊缝质量，但是这里要提出的是，筒段与上下法兰的配合精度要求很高。①首先法兰尺寸是机械加工出来的，精度是可以保证的，但筒段是由板材滚制而成，直径误差最好时也只能控制在3～5mm，这时筒段在车削坡口时，钝边很难保证都在筒段的中性层上，故而造成局部的坡口错边，同时板材余量要放大，至少要保证筒段内外各有7mm的加工量，伴随着法兰对接处的余量也随之加大，无形之中加大了经济成本和焊接工作量，增加了产生焊接缺陷的机会。②这种2mm钝边还要留有2.5mm间隙，对于对接点焊定位时也有很大的难度，原本就有错边，这种“尖对尖”的悬空组对在焊接时往往会加大产生错边的概率，使焊件的根部未焊透及气孔的产生大大提高。

图5 旧工艺双V形焊接坡口

（2）新工艺 ①通过翻阅资料以及借鉴其他厚壁件对接坡口的方法，对坡口的角度以及先后顺序、间隙都做了改进。首先坡口上使用了偏心的双V形坡口，而且为6:4的比例，即先在筒段和上下法兰的外部，车削（35×0.6mm=21mm）深为21mm的30°V形坡口，间隙放大到3.2mm，剩余厚度（35-21mm=14mm）14mm都作为钝边，暂时不车削坡口。②筒段滚制完成后，内部可以使用圆管进行内衬，直径误差能有效控制在1～2mm，这时再车削坡口，这样能大大减少发生错边的概率。如果有错边，这时就要进行测量保留数据，如果有超出14mm，以最大的数据进行保留。③圆度保证了，钝边加大了，也降低了悬空配合组焊的难度，同时坡口控制在60°左右，筒段内外壁余量降低到3mm，降低了劳动强度，减少了产生焊接缺陷的概率。

改进后的坡口及焊接过程如图6所示，第一次坡口如图7所示，实物如图8所示。

4.3 焊接方法及X射线检测

1）首先要对工件进行焊前清理，采用化学物理方法清洗后（见表1），必须在24h内进行焊接，而且在焊前还要用钢丝刷再进行一次清理，然后4h内必须完成焊接。

2）打底焊采用TIG焊进行施焊，但是在焊接参数和预热温度上，都有了很大的区别，见表2。

3）填充焊采用MIG焊进行填充，焊接参数见表3。

图6 改进后的坡口

图7 第一次开坡口

图8 第一次开坡口实物

4）在进行填充焊时，由于新工艺的坡口夹角由原来的90°变为60°，而且深度加大，使焊枪很难下降到合适的高度，为了解决这个难题，对MIG焊嘴进行了改造（见图9），并配备焊接变位机，由于焊枪不动，工件在匀速转动，这样可以使电弧电压，弧长更加稳定，能有效地把焊道内的空气排出，杜绝了氩气紊流现象，同时降低了弧柱气氛中的氢含量，提高了“阴极雾化”效果，也减少了焊接接头，大大提高了焊缝质量。经过多次试验，焊缝质量都能满足设计要求。

图9 喷嘴改造前后对比

5）在筒段与上下法兰、外部焊接完成后，旧工艺首先要进行背部的机械清根，由于筒段钝边局部不在中性层上，以及对接定位焊时的误差，导致筒段与法兰发生错边，此时无法确定背面根部是否清理干净，故要进行一次X射线检测进行判断，这样一来成本提高，周期变大，直到完全没有问题后再完成筒段与上下法兰的内圈两道焊缝，最终还要进行一次X射线检测，作为产品检验报告。

表1 铝镁合金化学清理方法

表2 打底焊参数（米勒700焊机）

表3 填充焊参数（福尼斯TPS4000）

6）新工艺此时清根和二次开坡口合为了一道工序，方法使用R5mm×60°的成形刀进行开坡口，坡口深度要以之前记录的数据为准，理论是14mm（如有大于14mm宽度的钝边，以宽的为基准再加上3mm），这就是所要车制坡口的实际深度，如图10所示。按照这套方法可以达到满意的清根效果，不仅有效地去除了未焊透，还杜绝了焊瘤、烧穿、未熔合等焊接缺陷，经过试验证明，这时可以省去第一次X射线检测判定工序，直接进行筒段与上下法兰内圈的两道焊缝的焊接，完成后只做最终X射线检测，一次合格率提升到98%～100%。实物如图11所示。

图10 第二次开坡口

图11 某型号适配器实物

5 结束语

综上所述，在卫星、飞船适配器产品的研制中，旧工艺需进行二次车削独立开坡口，一次车削清根，两道X射线检测；而采用新工艺，只需进行一次车削独立开坡口，一次车削开坡口兼清根，仅做一次X射线检测。采用新工艺后，节约了生产成本，减少了工序，缩短了生产周期，提高了产品合格率，同时为同类结构产品的研制积累了宝贵经验，相关成果已应用在“嫦娥”系列、空间站系列、北斗系列等多个国家重点型号任务上。