法兰环缝局部真空电子束焊接技术研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国空间技术研究院兰州物理研究所 作者:何成旦

  叙述了局部真空电子束焊接的特点及其在国防工业和民用工业的应用前景,叙述了国内外局部真空电子束焊接的发展状况,介绍了自行研制的法兰环缝局部真空电子束焊接装置和它的主要技术指标,以及该设备研制已突破的关键技术。

  局部真空电子束焊接技术是在大尺寸结构件的焊缝及其附件局部区域建立真空环境,并进行电子束焊接的技术。

  电子束焊接是随着现代科学技术的发展而迅速发展起来的一种熔化焊方法,电子束具有很高的能量密度(10 6-10 9W/cm2),焊缝深度比高可达20:1,热影响区小,工件变形小,晶粒细密等,被焊金属的厚度从0.05-300mm,不开坡口,一般不添加焊丝,一次焊成且焊缝质量好,这是其他焊接方法无法达到的。但是通常这类焊接机的特点是将被焊工件作为整体放在真空室中进行焊接,由此可称为全真空室电子束焊接设备。目前这类焊接的功率可达100Kw以上,真空室容积高达几百立方米甚至上千立方米,由于该设备的造价很高,发展中国家难以承受这样大的经济开支。60年代中期,出现了非真空电子束焊接设备,电子束在穿透大气时的能量损失很大,影响穿透深度,而且X射线的防护是一个严重玩儿问题,难以推广使用。

  局部真空电子束焊接设备采用较小的真空室将焊接缝区域覆盖起来,使电子束处于焊接缝局部区域的局部真空中,这种方法既保留了真空电子束焊接的特点又避开了庞大的真空室,解决了厚大工件的焊接问题,可大大提高焊接质量并大幅度降低设备的成本。对于导弹和运载火箭,大多焊件为圆柱体、圆锥体、箱体和法兰环缝。形状比较简单和规则,所以对航天工业而言,这种设备具有较大的共用性。

1、国内真空电子束焊接方法的应用情况

  我国从60年代初开始研究电子束焊接技术,目前该技术已处于平稳发展时期,在未来航天运载器上的应用将迅速扩大,特别在厚壁构件的链接中。

  国内电子束焊接的保有量约百台,焊接应用对象主要是航天和汽车齿轮零件,核工业的燃料包套、高强钢压力容器,航空工业的膜盒、过滤器、功率轴等,航天工业的发动机推力室、头部喷注器、涡轮转子、钛或铝合金压力容器、活门组件、密封元件、弹性元件和传感器。

  目前国内局部真空电子束焊接机的应用较少,只有航天科技集团公司五一0所在“东方红三号”卫星燃料贮箱的研制中使用了一台直线型局部真空电子束焊机。1998年首都航天机械公司从乌克兰巴顿电焊研究所引进了一台焊接火箭筒体φ190mm法兰的局部真空电子束焊机, 目前还在进行焊接工艺试验中, 没有应用到型号任务的生产中。

2、局部真空电子束焊接技术发展状况

  在60年代中期已有美、德等国原理性研究的专利和报道。70年代中期有较大的发展,特别是法国,研制了十多种类型的直线型和环缝焊机。80年代该技术在法、 德等国已进入应用阶段,日本的发展有后来居上之势, 前苏联的发展也非常迅速,前苏联将这种技术用于能源”号火箭燃料贮箱铝合金外壳焊接, 以提高焊接质量。其纵缝、对接环缝和法兰环缝焊接共使用了7种局部真空电子束焊机。在磁液密封、 电子枪旋转馈电、金属蒸气收集、薄壳结构焊接预应力以及高压放电抑制等技术方面进行了深入的研究。

  法国Clover、Sciaky、Languepin等公司最突出的成就是焊接原子能用锰钢锅炉纵缝及反应堆热交换器的管板焊设备, 锅炉的长度约为3cm,壁厚123mm,热交换器管直径为12-40mm,每小时可焊60-80根。为了发展这种技术,法国研制了平焊、 立焊和横焊的各种直线型焊接设备。德国也研制了直线型电子束焊接设备, 利用逐段移动的办法焊接了长度为20多米的机翼。在焊缝自动跟踪及电子束功率密度分布测试等基础方面也做了大量深入的研究工作。

  日本起步较晚, 但为了提高研究起点, 日本采用引进和参与国外研究的办法。曾引进法国:3m缝焊机,用于船体构件和核装置的焊接,并有多个公司分别参与法国Sciaky公司和德国Stelgerwald公司直线型焊机的研究,与此同时,在国内进行不同类型焊机的实用性开发。80年代初期大坂大学与三菱重工合作研制了100kv、120kW核聚变容器环缝对焊装置,工件直径为φ1.4m,壁厚50mm,材料为SA533钢。至90年代三菱重工仍利用类似的装置焊接了更大的核聚变装置。日本还利用这种技术进行了H-1型火箭贮箱共底拼焊,材料为2219锻铝合金,直径为φ2.44m, 壁厚为80mm。

  从国外发展情况看, 这项技术在航空、 航天、 能源、 造船等工业部门都发挥着重要的作用。在发展过程中针对稳定性、 可靠性及实用性进行了多方面的基础性研究, 为局部真空电子束焊接技术的应用奠定了坚实的基础。

  此项技术在国内的发展已有良好的开端, 航天科技集团公司五一0所于1986年研制了行程1.5km、50kV、5kW直线型局部真空电子束焊机,已用于卫星燃料贮箱制造中1mm和16mm钛合金板材拼焊工作。从国内情况看,国内在航空、航天、锅炉制造、 造船、 原子能等领域都迫切需要这种能用于大型结构焊接的先进焊接技术。

3、国内外航天工业对局部真空电子束焊接技术的需求分析

  由于电子束焊接的显著特点, 在箭、 船箱体结构的焊接中, 可以保证焊件具有很高的几何形状精度和尺寸精度。据介绍, 焊接直径在1000-8000mm的筒段时, 周长精度可达±0.5-2.5mm,外型轮廓与理论偏差只有1mm。这一特点对薄壁低刚度的箱体结构是十分宝贵。电子束焊接箱体这类大型构件已有许多应用,但大型真空装置成本太高,随着航天技术的发展,构件尺寸还有增大的趋势,为了解决这一矛盾,航天大国发展了局部真空电子束焊接技术,并且在箭、船箱体结构的焊接中得到了应用。

  前苏联研制并推广应用了两种类型的局部真空电子束焊接装置,一种用于焊接圆筒壳段纵向焊缝和环形焊缝,另一种用于焊接壳段法兰上的圆焊缝, 据报道[1,2],“能源” 号火箭燃料贮箱铝合金外壳焊接, 共用了7种局部真空电子束焊机。

  美国土星V的一级S-IC Y形环也使用了局部真空电子束焊机。

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