張英明，石芳錄，張京翔，楊建斌，柏 樹

（1.蘭州真空設(shè)備有限責(zé)任公司華宇分公司，蘭州 730000；2.蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

為保證航天器順利發(fā)射和在軌長期可靠運行，在航天器研制和生產(chǎn)的不同階段都必須在地面完成各類環(huán)境模擬試驗，其中空間熱環(huán)境模擬試驗必不可少，而熱沉則是熱真空環(huán)模試驗設(shè)備的關(guān)鍵核心部件。通常熱真空試驗的熱沉溫度經(jīng)歷周期性的高低溫交變（-150～+150℃），整個試驗周期長達(dá)15天甚至更長，試驗過程必須按照試驗大綱要求嚴(yán)格進(jìn)行，不能反復(fù)或中斷，同時必須保證待試產(chǎn)品本身的安全，因此對熱真空環(huán)模試驗設(shè)備中熱沉的可靠性提出極高要求。

綜合材料的熱物理性能和加工性，空間環(huán)模設(shè)備的熱沉大多采用紫銅、不銹鋼以及鋁合金或其組合，其結(jié)構(gòu)型式以及焊接加工方式也不盡相同，但合理地選用熱沉材料，熱沉結(jié)構(gòu)型式和有效的加工方式對降低制造成本、提高設(shè)備熱性能和可靠性有著重要意義。

熱沉工作在高低溫交變的真空環(huán)境，要求所選的材料真空出氣率低、低溫下具有良好的強(qiáng)度和塑性，以及焊接性能和耐腐蝕性。不銹鋼、紫銅、純鋁為面心立方晶格結(jié)構(gòu)，在低溫下具有足夠的韌性，低溫機(jī)械性能比常溫的還高，且真空出氣率低，是常用的熱沉材料。用鋁材制造熱沉，成本低、質(zhì)量輕、易加工成型，缺點是耐腐蝕性能差、壽命短[1]。美國SS/Loral公司的直徑11.9 m的熱真空環(huán)模設(shè)備的鋁熱沉就曾發(fā)生過疲勞破壞[2]。銅的主要優(yōu)點是導(dǎo)熱性好，耐腐蝕性能較鋁強(qiáng)，缺點是密度大，導(dǎo)致熱沉質(zhì)量大、熱容大，從而會延長預(yù)冷時間和增加液氮消耗量。不銹鋼材料在真空出氣率、低溫強(qiáng)度、塑性、耐腐蝕性能和焊接性能方面均優(yōu)于鋁和銅[3]，是熱沉材料最好的選擇，因此得到廣泛應(yīng)用。

目前，最常見的環(huán)模設(shè)備熱沉的結(jié)構(gòu)型式有管翅式和夾層式兩種。管翅式熱沉，即通過在管上焊接翅片以增加面積來強(qiáng)化傳熱。管翅式熱沉將接收到的輻射熱再以熱傳導(dǎo)的方式與載冷介質(zhì)換熱，其傳熱熱阻較大，但設(shè)計成熟，工藝成熟，可靠性高，國內(nèi)大多數(shù)環(huán)模設(shè)備采用此類結(jié)構(gòu)型式的熱沉。夾層式熱沉或稱板式熱沉屬于新型熱沉。該熱沉是由兩層不銹鋼板加工而成，板材周邊封邊焊接，形成封閉空間，板材間通過一定的加工工藝形成供載冷介質(zhì)充滿和流動的夾層空間。由于載冷介質(zhì)沿夾層空間流動，并與熱沉表面直接接觸，顯著增加了換熱面積，有效彌補(bǔ)了不銹鋼導(dǎo)熱性差的不足。加之夾層式熱沉質(zhì)量輕、熱容小，其溫度均勻性和升降溫速率與管翅式熱沉相比均有明顯提高。同時，夾層式熱沉加工焊接工藝簡單，成本低廉，美觀緊湊，近幾年在國內(nèi)外引發(fā)廣泛研究[3-7]，并在大中小型各類環(huán)模設(shè)備系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。表1列出了兩種結(jié)構(gòu)型式熱沉的性能比較。

表1 管翅式和夾層式熱沉性能比較Tab.1 Properties of finned-tube and sandwich plate-style thermal shroud

然而，受制于夾層式熱沉結(jié)構(gòu)特點和使用環(huán)境，熱沉的耐壓能力、焊點脫離或撕裂帶來的泄漏風(fēng)險，以及高低溫交變熱應(yīng)力引起的疲勞破壞等熱沉可靠性問題尤顯突出。本文結(jié)合筆者對不銹鋼夾層式熱沉的研制經(jīng)驗，從涉及夾層式熱沉可靠性及生產(chǎn)工藝控制方面進(jìn)行探討，為夾層式熱沉的設(shè)計加工和工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗及分析

影響熱沉耐壓能力的因素主要來源于兩個方面，第一，三種焊接方式均會造成焊接接頭處的材料不同程度受損，強(qiáng)度變差，耐壓降低；第二，夾層成型過程中，材料拉伸減薄以及焊接工藝不當(dāng)引起焊接接頭局部減薄或應(yīng)力集中，會造成薄板夾層結(jié)構(gòu)的整體耐壓變差。

1.1 焊接方式

目前，夾層式熱沉焊接普遍采用氬弧焊、激光焊以及電阻焊三種焊接方法，采用疊焊方式實施焊接，即將兩張相同尺寸的不銹鋼板對齊疊放，使用焊接設(shè)備在規(guī)定的位置實施點焊。

為考察不同焊接方式的耐壓情況，試驗采用0.75 mm厚的不銹鋼板，試驗板尺寸為400 mm×400 mm，焊點矩陣參數(shù)如圖1所示，其中矩陣間距為60 mm，焊點連線夾角為60°。三種焊接方式各制作試驗板10件，四周封邊焊接，對試驗板進(jìn)行水壓爆破試驗，實測結(jié)果如表2所列?？梢钥闯觯囼灠迤茐姆绞骄鶠檠睾更c周邊撕裂。同樣尺寸的矩陣參數(shù)和焊點，優(yōu)化焊接參數(shù)后電阻焊耐壓情況最好，激光焊次之，氬弧焊最差，而氬弧焊在添加焊絲后耐壓能力有明顯改善。這表明電阻焊接對焊接接頭材料損傷最小，氬弧焊和激光焊相對較大。特別對于這類薄板，采用氬弧焊和激光焊接，夾層的耐壓情況對焊接工藝尤為敏感，表現(xiàn)為水壓爆破試驗數(shù)據(jù)偏差很大，且非常離散，還容易出現(xiàn)焊接接頭部位微漏，使熱沉的氣密性不達(dá)標(biāo)的情況。

表2 三種焊接方式下試驗板水壓爆破試驗破壞壓力統(tǒng)計Tab.2 The bursting pressure statistics for thesand wich structure test plate with three different welding methods under hydraulic bursting test

圖1 試驗板焊點矩陣參數(shù)圖Fig.1 Matrix parameters of welding spot for the sandwich structure test plate

在幾種焊接方式中，氬弧焊焊接成本低，容易實施，但對于薄板，其焊接質(zhì)量極易受工藝狀態(tài)的影響，尤其是焊接面母材強(qiáng)度會受到比較嚴(yán)重地?fù)p傷，且其焊點尺寸較小，也使熱沉耐壓能力變差。氬弧焊通常用于耐壓要求0.4 MPa以下的熱沉加工。

激光焊接方式自動化程度高，加工效率較高，工藝穩(wěn)定性良好，激光能量比較穩(wěn)定集中，特別適合熱沉的封邊、分區(qū)焊接，焊點大小可以控制，近幾年大多數(shù)夾層式熱沉的加工采用了激光焊接方式，但針對不同板厚需要確定合適的激光焊接參數(shù)，以提高可靠性。對于薄板的焊接，無論氬弧焊還是激光焊都容易造成母材特別是焊接面母材材料強(qiáng)度下降、局部減薄和應(yīng)力集中，顯著影響整體耐壓能力和壽命。氬弧焊添加焊絲后試驗板耐壓能力提高是因為添加焊絲使得焊點直徑變大，同時對焊接的熔融部位起到了補(bǔ)強(qiáng)和增厚效果，所以建議在選擇控制焊接工藝時盡可能添加焊絲，以提升產(chǎn)品可靠性。

與前兩種焊接方式不同，電阻焊焊接方式的母材熔融通常發(fā)生在兩層薄板的交界面，母材損傷相對較小，產(chǎn)品有較高的耐壓能力和較高的可靠性，但也存在焊接功率波動大時焊接強(qiáng)度不高或過度熔融問題，以及封邊和分區(qū)困難等問題。電阻焊設(shè)備應(yīng)盡量采用中頻焊機(jī)以確保焊接強(qiáng)度和質(zhì)量穩(wěn)定。

試驗板的破壞方式為沿焊點周邊撕裂，分析發(fā)現(xiàn)，焊點處受到拉力和剪切力的耦合破壞。在此種受力條件下，不銹鋼母材的實際斷裂強(qiáng)度會略小于抗拉強(qiáng)度，且板材厚度、焊點大小以及焊點矩陣參數(shù)等會顯著影響試驗板的耐壓能力。對不同厚度和不同焊點大小的試驗板進(jìn)行水壓爆破試驗，經(jīng)采用簡化的物理模型對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析計算，焊接后試驗板材料所表現(xiàn)的表觀斷裂強(qiáng)度如圖2所示。圖中虛線為不銹鋼的抗拉強(qiáng)度，約為515 MPa[8]。顯然電阻焊試驗板表現(xiàn)出相對較好的耐壓能力，若控制好焊接參數(shù)，電阻焊試驗板的表觀斷裂強(qiáng)度可以接近不銹鋼母材的斷裂強(qiáng)度。三種焊接方式試驗板的表觀斷裂強(qiáng)度有較大幅度的差異，說明針對薄板焊接需仔細(xì)優(yōu)化并確定焊接參數(shù)，嚴(yán)格控制焊接工藝過程，以減小焊接加工過程對母材的損傷程度。

圖2 三種焊接方式下試驗板不銹鋼材料的表觀斷裂強(qiáng)度Fig.2 Apparent fracture strength for the sandwich structure test plate with three different welding methods

1.2 成型方式

夾層熱沉有多種加工成型方式：將一張不銹鋼板預(yù)先模壓成型形成凹坑，然后在凹坑處與另一張不銹鋼平板實施點焊，形成夾層空間稱為模壓-焊接成型；采用兩張不銹鋼平板按照給定的矩陣參數(shù)實施點焊，然后通過水壓或氣壓脹形，焊點周圍鼓脹變形，形成熱沉的夾層空間稱為焊接-脹形成型。兩類成型方式如圖3所示。對前者，熱沉的夾層厚度決定于帶凹坑不銹鋼板的模壓成型控制；對后者，焊接前預(yù)先設(shè)計焊點尺寸和矩陣參數(shù)，焊后脹形成型，脹形厚度受脹形力和設(shè)計參數(shù)決定。不同的成型方式適宜的焊接方式亦不相同，前者適宜1.1節(jié)所述的所有三種焊接方式，后者適宜激光焊和電阻焊方式。不論采用何種焊接方式，脹形過程必然會引起材料拉伸變形，如果脹形高度與焊點矩陣參數(shù)設(shè)計不合理，不僅會使材料變薄，甚至?xí)购更c部位部分撕裂產(chǎn)生泄漏，或在長期的高低溫交變環(huán)境下存在嚴(yán)重的泄漏隱患。因此從工程實踐來看，模壓-焊接成型有利于提高夾層式熱沉的安全可靠性。

圖3 夾層式熱沉成型方式Fig.3 Shaping methods for sandwich plate-style thermal shroud

以電阻焊方式為例，合理控制焊接參數(shù)，可使試驗板的斷裂強(qiáng)度接近不銹鋼材料本身的斷裂強(qiáng)度（圖2），試驗采用0.75 mm厚的不銹鋼板，焊點矩陣參數(shù)見圖1，試驗板尺寸400 mm×400 mm，兩種成型方式分別用電阻焊制作試驗板，并做水壓爆破試驗，最佳破壞壓力如表3所列?？梢钥闯觯?焊接成型的最佳破壞壓力略高于焊接-脹形成型。

表3 兩種成型方式試驗板最大破壞壓力Tab.3 The maximum bursting pressure for the sandwich structure test plate with two different shaping methods

顯然不同焊接和成型方式各有利弊，可根據(jù)具體情況選定。

2 生產(chǎn)工藝及可靠性設(shè)計

2.1 熱沉參數(shù)設(shè)計

綜上，夾層式熱沉的可靠性設(shè)計應(yīng)充分考慮焊接方式、不銹鋼板厚度和焊點大小，在兼顧載冷介質(zhì)的流態(tài)分布的同時合理設(shè)計焊點矩陣參數(shù)以及脹形高度因素。圖4為一種用激光焊接的不銹鋼夾層式熱沉。

圖4 一種用激光焊接的不銹鋼夾層式熱沉圖Fig.4 Astainless steel sandwich plate-style thermal shroud using laser welding

如1.1節(jié)所述，依據(jù)熱沉不同的耐壓需求應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)暮附臃绞健ａ槍Σ煌附臃绞胶筒煌穸鹊陌宀木柰ㄟ^試驗確定最佳焊接參數(shù)及工藝，最大限度地減小焊接對不銹鋼母材的損傷，使其斷裂強(qiáng)度不致顯著降低，熱沉的耐壓能力達(dá)到最大。

無論何種型式的夾層熱沉，破壞方式基本為熱沉的內(nèi)層或外層沿焊點周邊撕裂，焊點處受拉力和剪切力耦合破壞。因此，熱沉的耐壓能力與夾層不銹鋼板厚度、焊點大小、焊點矩陣參數(shù)密切相關(guān)。在焊接方式一定的情況下，不銹鋼板厚度和焊點直徑越大、焊點矩陣間距越小，熱沉的耐壓能力越大。不銹鋼板太厚，會增大熱沉的熱容，影響其升降溫速率。一般建議不銹鋼板厚度為0.5～2.5 mm。過大的焊點直徑一則會影響載冷介質(zhì)與熱沉壁板的接觸面積和焊接-脹形類型熱沉的夾層厚度，也限制了焊接方式。焊點直徑一般建議在2～16 mm內(nèi)。

對焊接-脹形類夾層式熱沉，焊點矩陣間距亦決定熱沉的夾層厚度，文獻(xiàn)[4]研究表明，夾層厚度和焊點矩陣間距是影響夾層式熱沉換熱性能的重要因素，夾層厚度和焊點矩陣間距減小均可強(qiáng)化熱沉換熱，但帶來的弊病是系統(tǒng)阻力增大。因此，不可過分減小焊點矩陣間距。在進(jìn)行耐壓能力設(shè)計時，焊點矩陣間距的選取需綜合考慮傳熱和阻力問題，建議為50～100 mm。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，最優(yōu)的熱沉焊點矩陣間距為75 mm，夾層厚度為10 mm。

對焊接-脹形類夾層式熱沉，其焊點近似受剛性約束，熱沉夾層厚度來源于不銹鋼板材的塑性變形，因此焊點矩陣間距的大小實際上決定了熱沉夾層的最終脹形厚度。不銹鋼夾層式熱沉在設(shè)備中對變形要求不是特別嚴(yán)格，變形對整體性能影響不大，采用文獻(xiàn)[8]穩(wěn)定臨界點應(yīng)變來對熱沉安全脹形高度進(jìn)行控制。穩(wěn)定臨界點處應(yīng)力為319 MPa，應(yīng)變?yōu)?%。因此，對于激光焊和電阻焊施焊的焊接-脹形類夾層式熱沉，在合理控制其焊接參數(shù)的條件下，可以以6%的應(yīng)變進(jìn)行脹形高度上限設(shè)計。在推薦焊點間距50～100 mm范圍內(nèi)，安全脹形高度均大于10 mm。且隨焊點矩陣間距增大，安全脹形高度增大。

2.2 焊點補(bǔ)強(qiáng)

熱沉作為環(huán)模設(shè)備的一部分，由于試驗需要必然會有各種開孔、載冷介質(zhì)的進(jìn)出分配管路焊接以及封邊等，這些結(jié)構(gòu)也會影響部分焊點或局域的受力情況，降低熱沉整體的耐壓能力，在設(shè)計加工過程中應(yīng)補(bǔ)充焊點予以補(bǔ)強(qiáng)。即熱沉表面必須保證任意一個焊點與其相鄰焊點（按照焊點的矩陣排布）距離不應(yīng)大于矩陣間距。圖5舉例說明焊點補(bǔ)強(qiáng)情況。

圖5（a）中，若將焊接矩陣點補(bǔ)充完整，則缺少的焊點位于兩條封邊焊縫正中間（虛線圓圈標(biāo)記），即焊點1和焊點2距離封邊焊縫的距離均小于矩陣間距a，因此這種情況無需補(bǔ)強(qiáng)。圖5（b）中，焊點1距離封邊焊縫的距離大于矩陣間距a，因此，應(yīng)在實線圓圈標(biāo)記處補(bǔ)充焊點。圖5（c）中，進(jìn)出液管破壞了焊點矩陣布局的完整性，因此，應(yīng)在進(jìn)出液管周圍（如實線圓圈標(biāo)記處）補(bǔ)充一個焊點。

對于大型熱沉，如進(jìn)出載冷介質(zhì)采用管道分配也可進(jìn)行適當(dāng)焊接分區(qū)導(dǎo)流以增強(qiáng)整體耐壓能力，分區(qū)示意圖如圖6所示。無論分配管采用何種形式，加工過程不應(yīng)破壞熱沉上的原有焊點或焊縫。

通常熱沉在焊接完成后再進(jìn)行整體成型或脹形處理，焊點會有不同程度的損傷破壞，其受力情況與試驗板相比會更加復(fù)雜。因此，用不同焊接方式加工的熱沉產(chǎn)品的實際耐壓能力建議通過試焊試驗板進(jìn)行驗證檢驗。雖然熱沉實際耐壓能力會低于試驗板的爆破壓力，但可以作為確定熱沉產(chǎn)品焊接工藝的依據(jù)和判定熱沉產(chǎn)品實際耐壓能力的參考。

圖5 焊點補(bǔ)強(qiáng)舉例圖Fig.5 Examples for welding spot supplement

圖6 熱沉焊接分區(qū)示意圖Fig.6 Schematic diagram of thermal shroud partition

此外，夾層式熱沉加工完成后，須對其進(jìn)行真空檢漏，一般要求熱沉整體漏率≤1×10-8Pa·m3/s。允許針對局部漏點進(jìn)行修補(bǔ)焊接，補(bǔ)焊后漏率仍須達(dá)到要求。

3 結(jié)論

由于夾層式熱沉的結(jié)構(gòu)特點和使用環(huán)境要求，熱沉耐壓能力和氣密性等熱沉可靠性問題尤顯突出。對不同焊接方式和成型方式的夾層式熱沉試驗板進(jìn)行了試驗，發(fā)現(xiàn)不同的焊接方式對不銹鋼薄板的損傷程度不同，進(jìn)而影響不銹鋼夾層式熱沉試驗板的耐壓能力，其中以電阻焊方式最佳，激光焊和氬弧焊次之。無論哪種焊接方式，焊前均需調(diào)整優(yōu)化焊接參數(shù)，將焊接對母材的損傷降到最低。其中，對電阻焊方式，合理調(diào)整焊接參數(shù)后，試驗板水壓爆破壓力接近母材的實際斷裂強(qiáng)度。

板材厚度、焊點大小以及焊點矩陣參數(shù)等會顯著影響試驗板的耐壓能力和安全脹形高度，板厚建議在0.5～2.5 mm，焊點直徑建議在2～16 mm內(nèi)選取，焊點矩陣間距建議在50～100 mm，在此參數(shù)范圍，安全脹形高度均大于10 mm。

建議通過試焊試驗板對不同焊接方式加工的熱沉產(chǎn)品的實際耐壓能力做出驗證檢驗。熱沉上各種開孔、載冷介質(zhì)的進(jìn)出分配管處，以及封邊等位置，若破壞焊點矩陣完整性，則應(yīng)補(bǔ)充焊點予以補(bǔ)強(qiáng)。

對于熱沉焊點部位的焊接損傷和脹形損傷，在長期高低溫交變環(huán)境下，熱應(yīng)力引起材料抗疲勞性能下降或蠕變進(jìn)而影響熱沉的可靠性和壽命的問題，尚缺乏數(shù)據(jù)，有待于進(jìn)一步研究。