王英杰，楊衛(wèi)鵬

(西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西 西安 710100)

鈮鉿噴管延伸段激光點(diǎn)焊工藝研究

王英杰，楊衛(wèi)鵬

(西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西 西安 710100)

通過(guò)研究δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金搭接結(jié)構(gòu)圓形軌跡運(yùn)動(dòng)方式激光點(diǎn)焊焊縫熔深與焊接速度、焊縫熔深與焊接功率以及焊縫抗剪力/熱輸入量與試驗(yàn)序號(hào)之間的關(guān)系，得到了激光點(diǎn)焊工藝規(guī)范，安裝有采用該工藝規(guī)范焊接完成的NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)了高模試車(chē)考核。

激光點(diǎn)焊;鈮鉿合金;搭接結(jié)構(gòu)；噴管延伸段

0 引言

某型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為常規(guī)推進(jìn)劑上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用泵壓式推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)和燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，燃料和氧化劑泵與渦輪同軸，固體火藥起動(dòng)器起動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)主、副系統(tǒng)均采用汽蝕管作為調(diào)節(jié)元件，雙向搖擺，二次起動(dòng)，推力室噴管面積比為70，燃燒室和噴管面積比為12的短噴管均采用再生冷卻方式，即釬焊夾層蜂窩冷卻結(jié)構(gòu)；噴管面積比為12～70的噴管延伸段采用輻射冷卻方式，即單壁冷卻結(jié)構(gòu)，噴管延伸段母材為鈮鉿合金(NbHf10-1， 熔點(diǎn)為2 310 ℃，極易氧化)，噴管延伸段內(nèi)、外表面均噴涂高溫抗氧化涂層，以提高鈮鉿合金噴管延伸段使用壽命，噴管延伸段與推力室短噴管之間采用法蘭連接，噴管延伸段由延伸段組合件和三個(gè)加強(qiáng)筋搭接而成，加強(qiáng)筋材料亦為鈮鉿合金，延伸段組合件與三個(gè)加強(qiáng)筋搭接后由激光點(diǎn)焊連接成一個(gè)整體。

1 噴管延伸段組合件激光點(diǎn)焊設(shè)計(jì)要求

噴管延伸段組合件由延伸段和加強(qiáng)筋經(jīng)激光點(diǎn)焊連接而成，圖1為噴管延伸段組合件結(jié)構(gòu)示意原理簡(jiǎn)圖，由圖1可見(jiàn)，三個(gè)加強(qiáng)筋套裝在延伸段不同部位，延伸段和三個(gè)加強(qiáng)筋均采用搭接結(jié)構(gòu)連接，加強(qiáng)筋材料為鈮鉿合金(NbHf10-1)，加強(qiáng)筋1和加強(qiáng)筋2處的搭接組合厚度δ1=1+1 mm，加強(qiáng)筋3處的搭接組合厚度δ2=1+0.7 mm，加強(qiáng)筋1處激光點(diǎn)焊數(shù)N1=36個(gè)(沿圓周方向均布)，加強(qiáng)筋2處激光點(diǎn)焊數(shù)N2=42個(gè) (沿圓周方向均布)，加強(qiáng)筋3處激光點(diǎn)焊數(shù)N3=46個(gè)(沿圓周方向均布)，激光點(diǎn)焊總數(shù)N=N1+N2+N3=124，激光點(diǎn)焊縫抗剪力FS≥4 500 N。

2 激光焊接原理與工藝試驗(yàn)

2.1 激光焊接原理

激光與其他光源一樣是電磁波，另外還具有獨(dú)特的性能，激光方向性好，亮度高，單色性好，相干性好，激光焊接加工時(shí)，被焊工件材料吸收的激光光能向熱能的轉(zhuǎn)化是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的，在這個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)，熱能僅僅局限于被焊工件材料的激光輻照區(qū)內(nèi)，而后通過(guò)熱傳導(dǎo)，該熱量由高溫區(qū)傳向低溫區(qū)并在被焊工件表面形成焊縫。采用激光焊接，生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量好，與一般焊接方法相比，激光焊接具有較多優(yōu)點(diǎn)。聚焦后的激光束具有很高的功率密度(105～107W/cm2或更高)，加熱速度快，可實(shí)現(xiàn)深熔焊和高速焊，激光加熱范圍小(激光光斑直徑小于1 mm)，在焊接功率和被焊工件厚度相同的條件下，焊接熱影響區(qū)小、焊接應(yīng)力和變形小[1-5]。激光可發(fā)射和透射，可在空間傳播相當(dāng)距離而衰減很小，激光可通過(guò)光導(dǎo)纖維、棱鏡等光學(xué)方法彎曲傳輸和偏轉(zhuǎn)，易于聚焦，特別適用于微型工件、難以接近或遠(yuǎn)距離部位焊接。激光焊接屬于非接觸式焊接，不需使用電極，沒(méi)有電極污染或耗損問(wèn)題，一臺(tái)激光器可供多個(gè)工作臺(tái)進(jìn)行不同的加工。激光在大氣中損耗很小，可以穿過(guò)玻璃等透明物體，適用于在玻璃制成的密封容器里焊接鈹合金等劇毒工件材料；激光不受電磁場(chǎng)的影響(電弧焊和電子束焊受電磁場(chǎng)影響)，能精確地對(duì)準(zhǔn)焊件進(jìn)行焊接；激光焊接不存在X射線防護(hù)問(wèn)題，也無(wú)需真空保護(hù)。激光焊接可以焊接常規(guī)焊接方法難以焊接的材料，如高熔點(diǎn)金屬、非金屬材料(如陶瓷、有機(jī)玻璃等)等；對(duì)熱輸入敏感的工件材料也可以實(shí)現(xiàn)激光焊接，焊后工件無(wú)需進(jìn)行熱處理；激光焊接可以用于焊接各種異質(zhì)材料的工件。

激光焊接是利用激光能(可見(jiàn)光或紫外光)作為熱源熔化和連接工件的焊接方法，激光焊接時(shí)，激光照射到被焊工件材料表面，與工件材料發(fā)生作用，一部分被反射，一部分被吸收，吸收的激光進(jìn)入工件材料內(nèi)部，激光在工件材料表面的反射、透射和吸收過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是光波電磁場(chǎng)與工件材料相互作用結(jié)果的表現(xiàn)過(guò)程，激光光波入射進(jìn)入到工件材料后，工件材料中的帶電粒子依照激光光波矢量的諧振步調(diào)一起與激光光子振動(dòng)，使激光光子的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)閹щ娏Ｗ拥膭?dòng)能，在此過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生能量較高的質(zhì)子、自由電子、束縛電子、聲子等，這些粒子原始激發(fā)能經(jīng)過(guò)一定程度的集聚和積累，最終均轉(zhuǎn)化為熱能。金屬材料的激光吸收系數(shù)為107～108m-1，激光在金屬材料表面0.01～0.1 μm的厚度范圍內(nèi)被吸收并轉(zhuǎn)變成熱能，引起金屬材料表面溫度升高，該溫度再傳向金屬材料內(nèi)部，以實(shí)現(xiàn)焊接區(qū)域金屬材料的熔化和焊縫的形成。金屬材料對(duì)激光的吸收，主要與激光波長(zhǎng)，金屬材料的性質(zhì)、溫度、表面狀態(tài)以及激光功率密度等因素有關(guān)；一般來(lái)說(shuō)，金屬材料對(duì)激光的吸收率隨著金屬材料表面溫度的上升而增大，隨著金屬材料電阻率的增加而增大，激光光子轟擊金屬材料表面可形成金屬蒸氣，蒸發(fā)的金屬可以防止激光剩余能量被金屬反射掉，如果被焊金屬材料的導(dǎo)熱性較好，則會(huì)在被焊金屬材料上得到較大的焊縫熔深。激光焊接過(guò)程中，被焊工件和激光光束做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，焊接過(guò)程中金屬材料劇烈蒸發(fā)產(chǎn)生的強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力使“匙孔”前沿形成的熔化金屬沿某一角度得到迅速加速，在“匙孔”后面金屬材料的近表面處形成熔流，“匙孔”后方的液態(tài)金屬受傳熱效應(yīng)作用，該液態(tài)金屬溫度迅速降低并很快凝固，由此，在被焊金屬工件材料表面形成了連續(xù)的焊縫[6-10]。

單個(gè)激光點(diǎn)焊縫的抗剪力與熱輸入量遵循:

(1)

式中:F為單個(gè)激光點(diǎn)焊縫的抗剪力，N；Q為單個(gè)激光點(diǎn)焊縫的熱輸入量，J；K為單個(gè)激光點(diǎn)焊縫的抗剪力與熱輸入量的比值，N/J。

K值越大，說(shuō)明單位熱輸入量所獲得的抗剪力越大，在獲得相同的抗剪力時(shí)，所需要的熱輸入量越小，被焊工件的變形量越小。

熱輸入量：

(2)

式中:P為單個(gè)激光點(diǎn)焊縫的焊接功率，W；L為單個(gè)激光點(diǎn)焊縫的長(zhǎng)度，m；V為激光點(diǎn)焊時(shí)的焊接速度,m/s，Q為激光焊接時(shí)的熱輸入量，J。

2.2 激光點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)

激光點(diǎn)焊標(biāo)準(zhǔn)試片材料為NbHf10-1鈮鉿合金，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，標(biāo)準(zhǔn)試片規(guī)格為100×20×1 mm和100×20×0.7 mm，分別焊接δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金搭接標(biāo)準(zhǔn)試片，搭接長(zhǎng)度為L(zhǎng)=30 mm。焊接設(shè)備是機(jī)器人式激光焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用德國(guó)IPG公司生產(chǎn)的YLS激光器，最大焊接功率Pmax=1 kW。

表1 NbHf10-1鈮鉿合金化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of NbHf10-1 alloy %

用NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)試片進(jìn)行激光點(diǎn)焊試驗(yàn)，并對(duì)激光點(diǎn)焊后的標(biāo)準(zhǔn)試片進(jìn)行理化和力學(xué)性能分析，以獲得激光點(diǎn)焊的最佳焊接軌跡和焊接工藝參數(shù)，并在噴管模擬件上進(jìn)行應(yīng)用和驗(yàn)證。由圖1可見(jiàn)，加強(qiáng)筋處于上方，噴管延伸段處于下方，加強(qiáng)筋壁厚為1 mm，延伸段壁厚為1 mm和0.7 mm。對(duì)于δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片進(jìn)行激光點(diǎn)焊試驗(yàn)，當(dāng)激光束與工件相對(duì)位置固定時(shí)，激光點(diǎn)焊易導(dǎo)致焊縫氧化和下凹，加之光致等離子體效應(yīng)，使得激光點(diǎn)焊的有效熔深降低，為此，采用激光束與工件保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)的激光點(diǎn)焊方式，相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式為：平行線運(yùn)動(dòng)方式和圓形軌跡運(yùn)動(dòng)方式，采用平行線運(yùn)動(dòng)方式點(diǎn)焊，焊縫軌跡長(zhǎng)度為20 mm，兩平行線間距離為8 mm，δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片焊縫尾部下陷，焊縫表面質(zhì)量不能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求；采用圓形軌跡運(yùn)動(dòng)方式點(diǎn)焊，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm,Φ7 mm,Φ6 mm,Φ10 mm，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm時(shí)，δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片焊縫抗剪力與熱輸入量比值最大，焊縫形貌和表面質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求；焊縫軌跡中心線直徑為Φ7 mm,Φ6 mm時(shí)，δ1=1+1 mm厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片焊縫抗剪力與熱輸入量比值較小，焊縫形貌和表面質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求；焊縫軌跡中心線直徑為Φ10 mm時(shí)，δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片焊縫抗剪力與熱輸入量比值較小，焊縫形貌和表面質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求(見(jiàn)圖4)；經(jīng)過(guò)試驗(yàn)與比較，噴管延伸段與三個(gè)加強(qiáng)筋搭接后采用圓形軌跡運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行激光點(diǎn)焊，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm，噴管延伸段與三個(gè)加強(qiáng)筋搭接后經(jīng)過(guò)激光點(diǎn)焊連接成一個(gè)整體，可提高延伸段整體剛性，防止發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中發(fā)生失穩(wěn)。激光點(diǎn)焊焊縫的抗剪力與焊縫熔深和被焊兩層標(biāo)準(zhǔn)試片之間的有效熔合面積有關(guān)，該抗剪力與焊縫熔深和熔合面積成正比，為此，進(jìn)行激光點(diǎn)焊焊縫金相試驗(yàn)，以獲取焊縫熔深與焊接工藝參數(shù)之間的關(guān)系；對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試片進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，以獲取圓形軌跡運(yùn)動(dòng)方式激光點(diǎn)焊工藝參數(shù)與抗剪力和熱輸入量比值之間的關(guān)系。

用于金相分析的NbHf10-1鈮鉿合金激光點(diǎn)焊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試片為δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的搭接試片，采用圓形軌跡運(yùn)動(dòng)方式激光點(diǎn)焊，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm，離焦量Z=0，δ1=1+1 mm厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片激光點(diǎn)焊工藝參數(shù)為：焊縫整周(100%圓周周長(zhǎng))激光焊接功率P1=1 kW，焊接速度分別為：V1=0.003 m/s，V2=0.004 m/s，V3=0.005 m/s，V4=0.006 m/s，焊后試片編號(hào)為：1#～4#；焊縫圓周前30%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后70%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW，焊接速度分別為：V1=0.003 m/s，V2=0.004 m/s，V3=0.005 m/s，V4=0.006 m/s，焊后試片編號(hào)為：5#～8#；焊接速度V5=0.004 m/s，焊縫圓周前50%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW、焊縫圓周后50%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW，焊縫圓周前10%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW、焊縫圓周后90%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW，焊后試片編號(hào)為：9#～10#。δ2=1+0.7 mm厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片激光點(diǎn)焊工藝參數(shù)為：焊縫整周(100%圓周周長(zhǎng))激光焊接功率P1=1 kW，速度分別為：V1=0.003 m/s，V2=0.004 m/s，V3=0.005 m/s，焊后試片編號(hào)為11#～13#；焊縫圓周前50%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后50%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW，焊接速度分別為：V1=0.003 m/s，V6=0.004 m/s，V3=0.005 m/s，焊后試片編號(hào)為：14#～16#。對(duì)焊后試片焊縫進(jìn)行金相分析，以獲得焊縫熔深，由1#～8#、11#～16#試片激光點(diǎn)焊工藝參數(shù)和焊縫熔深可以得到圓形軌跡運(yùn)動(dòng)方式(焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm)激光點(diǎn)焊焊縫熔深與焊接速度之間的關(guān)系，見(jiàn)圖2，由圖2可見(jiàn)，對(duì)于δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片進(jìn)行激光點(diǎn)焊時(shí)，隨著焊接速度的增加，焊縫熔深隨之減小。由2#、6#、9#及10#試片激光點(diǎn)焊工藝參數(shù)和焊縫熔深可以得到圓形軌跡運(yùn)動(dòng)方式(焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm)激光點(diǎn)焊焊縫熔深與焊接功率之間的關(guān)系，見(jiàn)圖3，由圖3可見(jiàn)，隨著激光焊功率的減小，焊縫熔深也隨之減少，這是焊接熱輸入量減小所致。圖2和圖3中的C均為采用圓形軌跡運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行激光點(diǎn)焊，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm圓周的周長(zhǎng)。

采用NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片按表2激光點(diǎn)焊工藝參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。激光點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)，離焦量Z=0，δ1=1+1 mm厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片激光點(diǎn)焊工藝參數(shù)為：焊縫軌跡中心線直徑為Φ6 mm時(shí)，焊接速度V1=0.001 m/s，V2=0.002 m/s，焊縫兩周(200%圓周周長(zhǎng))激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周10%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.95 kW；焊縫軌跡中心線直徑為Φ7 mm時(shí)，焊接速度V1=0.001 8 m/s，V2=0.002 m/s，V3=0.004 m/s，焊縫整周(100%圓周周長(zhǎng))激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周90%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.95 kW；焊縫兩周(200%圓周周長(zhǎng))激光焊接功率P1=1 kW；焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm時(shí)，焊接速度V1=0.004 m/s，焊縫圓周前70%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后30%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW;焊縫圓周前80%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后20%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW;焊縫圓周前85%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后15%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW；焊縫軌跡中心線直徑為Φ10 mm時(shí)，焊接速度V5=0.004 m/s，焊縫圓周120%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周70%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW。δ2=1+0.7 mm厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片激光點(diǎn)焊參數(shù)為：焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm時(shí)，焊接速度V1=0.004 m/s，焊縫圓周前60%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后40%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW；焊縫圓周前55%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后45%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW；焊縫軌跡中心線直徑為Φ10 mm時(shí)，焊接速度V1=0.004 m/s，焊縫圓周40%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周30%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.95 kW；焊縫圓周50%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周60%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.95 kW。對(duì)激光點(diǎn)焊后標(biāo)準(zhǔn)試片進(jìn)行抗剪力試驗(yàn)，試驗(yàn)所得焊縫抗剪力數(shù)值見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，激光點(diǎn)焊縫的抗剪力F>4 500 N，滿足設(shè)計(jì)要求FS≥4 500 N。

由表2、 公式(1)和公式(2)經(jīng)過(guò)計(jì)算與分析，可得到圖4所示的NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)搭接試片激光點(diǎn)焊縫抗剪力/熱輸入量與試驗(yàn)序號(hào)之間的關(guān)系曲線，由圖2、圖3和圖4，可得出激光點(diǎn)焊NbHf10-1鈮鉿合金δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片的工藝規(guī)范為：采用圓形軌跡運(yùn)動(dòng)方式激光點(diǎn)焊，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm，離焦量Z=0，焊接速度為：V1=0.004 m/s， 對(duì)于δ1=1+1 mm厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片，焊縫圓周前85%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后15%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW；對(duì)于δ2=1+0.7 mm厚度組合標(biāo)準(zhǔn)試片，焊縫圓周前60%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后40%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW。

3 激光點(diǎn)焊工藝

噴管延伸段組合件激光點(diǎn)焊工藝主要包括：焊前酸洗、噴管延伸段組合件裝夾、激光點(diǎn)焊定位、拆卸拉桿工裝、激光點(diǎn)焊噴管延伸段組合件、X光檢測(cè)激光點(diǎn)焊縫等工序組成，噴管延伸段組合件激光點(diǎn)焊工藝流程框圖見(jiàn)圖5，激光點(diǎn)焊工藝規(guī)范見(jiàn)表3。

表2 NbHf10-1鈮鉿合金標(biāo)準(zhǔn)試片激光點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)與焊縫抗剪力實(shí)測(cè)數(shù)值Tab.2 Laser spot-welding test parameters and measured weld shear resistance values of NbHf10-1 alloy standard specimens

激光焊接系統(tǒng)由激光器、機(jī)器人系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)等組成，激光器是德國(guó)IPG公司生產(chǎn)的YLS激光器，機(jī)器人系統(tǒng)是德國(guó)KUKA公司生產(chǎn)的，機(jī)器人機(jī)械臂和轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)是通過(guò)手持式編程器KCP控制機(jī)編程控制其運(yùn)動(dòng)的，激光焊接參數(shù)是通過(guò)專用軟件進(jìn)行設(shè)置、調(diào)節(jié)和控制的。激光點(diǎn)焊作業(yè)時(shí)，在激光器控制系統(tǒng)上按照激光點(diǎn)焊工藝規(guī)范要求編制激光點(diǎn)焊功率隨時(shí)間變化的曲線，機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械臂在需要進(jìn)行激光點(diǎn)焊的部位按照激光點(diǎn)焊工藝規(guī)范要求的激光點(diǎn)焊軌跡確定點(diǎn)焊坐標(biāo)，進(jìn)行模擬運(yùn)行，確認(rèn)運(yùn)動(dòng)軌跡正確后，工件裝夾固定不動(dòng)，通過(guò)焊接機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)按照預(yù)先設(shè)想的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行激光點(diǎn)焊作業(yè)。噴管延伸段組合件激光點(diǎn)焊前，對(duì)噴管延伸段和三個(gè)加強(qiáng)筋進(jìn)行酸洗，以去除工件表面的氧化物；使用噴管延伸段組合件激光點(diǎn)焊專用工裝裝夾噴管延伸段組合件，專用工裝由內(nèi)胎、擋圈、拉桿等部分組成，裝夾工件的方法是：將激光點(diǎn)焊工裝內(nèi)胎的大端朝下放置于工裝停放架上，從小端將噴管延伸段裝配在工裝內(nèi)胎上，并用工裝法蘭將延伸段小端壓降至工裝內(nèi)胎上，把加強(qiáng)筋3,加強(qiáng)筋2和加強(qiáng)筋1依次裝配在噴管延伸段上，把加強(qiáng)筋3所用擋圈裝配在加強(qiáng)筋3的上沿，把擋圈上6個(gè)拉桿的螺栓分別對(duì)稱地緊固在工裝內(nèi)胎的大端，用塞尺測(cè)量加強(qiáng)筋和噴管延伸段之間的間隙，并調(diào)節(jié)該間隙，使得加強(qiáng)筋與延伸段之間的貼合間隙ε<0.05 mm，按此方式依次將加強(qiáng)筋2、加強(qiáng)筋1分別裝配在噴管延伸段上，并用擋圈緊固；將裝夾好的噴管延伸段組合件和工裝裝夾在測(cè)量臺(tái)上，在加強(qiáng)筋1上每隔10°度劃一個(gè)激光點(diǎn)焊位置線，共劃出N1=36個(gè)(沿圓周方向均布)的激光點(diǎn)焊位置線，在加強(qiáng)筋2上每隔8.6°度劃一個(gè)激光點(diǎn)焊位置線，共劃出N2=42個(gè)(沿圓周方向均布)的激光點(diǎn)焊位置線，加強(qiáng)筋3上每隔7.8°劃一個(gè)激光點(diǎn)焊位置線，共劃出N3=46個(gè)(沿圓周方向均布)的激光點(diǎn)焊位置線，劃線完畢后，將裝夾好的噴管延伸段組合件和工裝裝夾在轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)的激光焊機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)上，準(zhǔn)備進(jìn)行激光點(diǎn)焊作業(yè)；激光點(diǎn)焊前，在焊縫正面將氬氣保護(hù)工裝裝夾在加強(qiáng)筋上需要進(jìn)行激光點(diǎn)焊的部位，在焊縫背面工裝內(nèi)胎表面的氬氣保護(hù)槽內(nèi)通入氬氣，以避免焊接過(guò)程中焊縫發(fā)生氧化，焊縫正面和背面的氬氣流量范圍均為Q=10～15 L/min，在每個(gè)加強(qiáng)筋拉桿之間的區(qū)域分別焊接1個(gè)激光點(diǎn)焊點(diǎn)，則在6個(gè)對(duì)稱分布的拉桿之間共對(duì)稱地焊接6個(gè)激光點(diǎn)焊點(diǎn)，待每個(gè)加強(qiáng)筋上6個(gè)對(duì)稱的激光點(diǎn)焊點(diǎn)焊接完成后，將噴管延伸段組合件和工裝從焊機(jī)上取下，并將其放置在停放架上，將3個(gè)加強(qiáng)筋上沿的擋圈和拉桿分別從點(diǎn)焊工裝上拆卸下來(lái)，以消除其對(duì)剩余激光點(diǎn)焊點(diǎn)焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的干擾，再將工裝和噴管延伸段組合件裝夾在激光焊機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)上，將加強(qiáng)筋剩余位置處的激光點(diǎn)焊點(diǎn)焊接完成，共需焊接N=N1+N2+N3=124個(gè)激光點(diǎn)焊點(diǎn)，在每個(gè)加強(qiáng)筋上相鄰的兩個(gè)激光點(diǎn)焊點(diǎn)均位于圓周方向?qū)ΨQ的位置上；焊接完成后，拆卸噴管延伸段組合件和工裝，并檢查激光點(diǎn)焊縫背面是否存在焊漏，若存在焊漏，將焊漏打磨掉，使其與基體保持平滑過(guò)渡；對(duì)每個(gè)激光點(diǎn)焊縫進(jìn)行X光檢測(cè)，以檢查點(diǎn)焊縫內(nèi)部質(zhì)量。

焊縫位置圓形軌跡中心線直徑/mm焊接速度/(m·s-1)激光焊接功率/kW加強(qiáng)1、加強(qiáng)筋2和延伸段(δ1=1+1mm厚度組合)加強(qiáng)筋3和延伸段(δ2=1+07mm厚度組合)8V5=000485%C，1+15%C，0960%C，1+40%C，09

4 發(fā)動(dòng)機(jī)地面熱點(diǎn)火試車(chē)

激光點(diǎn)焊完成的噴管延伸段組合件與法蘭采用電子束焊接后，則形成噴管延伸段，噴管延伸段內(nèi)外表面噴涂高溫抗氧化涂層，以避免NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段在高溫下的劇烈氧化，延長(zhǎng)鈮鉿合金噴管延伸段的使用壽命，NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段噴涂完成后，即可交付裝配發(fā)動(dòng)機(jī)，安裝有激光點(diǎn)焊NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了高模試車(chē)，試車(chē)工作時(shí)間為tz3=200 s，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、關(guān)機(jī)正常，主要性能參數(shù)協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、并滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，關(guān)機(jī)后發(fā)動(dòng)機(jī)噴管延伸段完好，由此表明：激光點(diǎn)焊NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段的工藝是正確的、合理的和有效的。

5 結(jié)論

通過(guò)研究δ1=1+1 mm和δ2=1+0.7 mm兩種厚度組合的NbHf10-1鈮鉿合金搭接結(jié)構(gòu)圓形軌跡運(yùn)動(dòng)方式激光點(diǎn)焊焊縫熔深與焊接速度、焊縫熔深與焊接功率以及焊縫抗剪力/熱輸入量與試驗(yàn)序號(hào)之間的關(guān)系，得到了激光點(diǎn)焊工藝規(guī)范，即采用圓形軌跡運(yùn)動(dòng)方式激光點(diǎn)焊，焊縫軌跡中心線直徑為Φ8 mm，離焦量Z=0，焊接速度為：V1=0.004 m/s， 加強(qiáng)筋1和加強(qiáng)筋2處的搭接組合厚度δ1=1+1 mm，焊縫圓周前85%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后15%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW；加強(qiáng)筋3處的搭接組合厚度δ2=1+0.7 mm，焊縫圓周前60%周長(zhǎng)激光焊接功率P1=1 kW，焊縫圓周后40%周長(zhǎng)激光焊接功率P2=0.9 kW。安裝有采用該工藝規(guī)范焊接完成的NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)了高模式車(chē)考核，由此表明：激光點(diǎn)焊NbHf10-1鈮鉿合金噴管延伸段的工藝是正確的、合理的和有效的。

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Research on laser spot-welding technology of Nb-Hf alloy nozzle extension section

WANG Yingjie，YANG Weipeng

(Xi’an Space Engine Factory， Xi’an 710100， China)

The laser spot-welding technologies in a circular path motion mode of NbHf10-1 alloy lapped structures withδ1=1+1 mm andδ2= 1+0.7 mm thickness combinations are studied in this paper. The laser spot-welding process specifications were obtained based on the study of the relations between weld penetration and welding speed， between weld penetration and welding power， as well as between weld shear resistance/heat input and test serial number. The engines with welded NbHf10-1 alloy nozzle extension sections adopting the above process specifications have passed the high-altitude simulation tests.

laser spot-welding;Nb-Hf alloy;lapped structure；nozzle extension section

2016-10-31；

2017-02-07

王英杰，男(1986—)，工程師，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)楦吣苁讣捌渌附庸に嚰夹g(shù)

V261-34

A

1672-9374(2017)06-0088-09

(編輯：馬杰)