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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 1437 次 發(fā)布時(shí)間:2023-12-12
通過研究對(duì)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(dòng)試驗(yàn)后的泡破點(diǎn)實(shí)測(cè)值滿足設(shè)計(jì)要求。該表面張力貯箱已用于某型號(hào)上面級(jí)液體發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)和推力裝置之中，已經(jīng)成為軌姿控液體火箭發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)和推力裝置中是用來存儲(chǔ)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(dòng)機(jī)或推力裝置各個(gè)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(dòng)或其它有害運(yùn)動(dòng)；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(shí)，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(shí)，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(jiǎn)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(dòng)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(cè)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(duì)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(dòng)試驗(yàn)后的泡破點(diǎn)值Δpcr≥5.6 kPa，為此，對(duì)接焊縫熔深h對(duì)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(gè)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(tái)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(shí)，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(shí)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(duì)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(jí)振動(dòng)試驗(yàn)后的泡破點(diǎn)實(shí)測(cè)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(hào)上面級(jí)液體發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)已通過了地面熱試車考核。