一种异型复杂大厚度燃料舱的真空电子束焊接方法与流程

本发明属于铝合金电子束焊接技术领域，涉及一种针对飞行器异型复杂大厚度燃料舱的真空电子束焊接方法。

背景技术：

随着航天工业的发展，飞行器的尺寸精度也随着飞行速度的提高、隐身要求、气动外形的需要而变得越来越高。燃料舱等飞行器重要结构件由传统的“铸造+焊接”向轻量化程度更高的“钣金+焊接”结构形式发展，结构件也有规则形状逐渐向复杂的异型结构转变，焊接接头也由同种材料连接到异种材料的连接，焊缝形式由规则直焊缝、环焊缝变成了空间曲线焊缝。以某飞行器燃料舱为例(图1)，由2个端框、1个铸件、2块蒙皮组成。铸件的材料为zl114a铝合金，端框和蒙皮的材料为5a06铝合金。该燃料舱总长1100mm，直径900mm，其结构复杂，包含直线、圆弧、空间曲线等多种形式的焊缝，数量多达11条，焊接厚度变化范围大(6-15mm)。焊后指标要求高，整体轮廓度不超过2mm。对于该燃料舱焊接，传统的氩弧焊方法存在热输入量大、热影响区软化和变形难以控制的问题；而激光焊由于功率限制，难以实现8-10mm大厚度接头的焊接。

电子束焊接具有能力密度高、热输入低、焊接变形小、焊缝窄、焊缝深宽比大和焊缝保护良好等特点，在金属焊接领域得到广泛的应用，特别适合进行大厚度异型复杂构件的焊接。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种异型复杂大厚度燃料舱的真空电子束焊接方法，该方法利用电子束焊接穿透能力强、热输入小、焊接变形与残余应力小等特点，可实现异型大厚度(6-15mm)钣焊结燃料舱的真空电子束焊接，有效解决焊接过程中未焊透、气孔超标等问题，同时控制蒙皮、端框变形，保证产品尺寸精度。

本发明的技术解决方案是：一种异型复杂大厚度燃料舱的真空电子束焊接方法，包括以下步骤：

步骤1：焊前准备；

将燃料舱的端框、蒙皮进行酸洗，去除表面油污、氧化膜，并烘干；将端框、蒙皮和铸件待焊接区域打磨至呈见光亮金属光泽，并用丙酮擦拭干净；

步骤2：端框与铸件焊接装配；

使用焊接工装装配端框和铸件，保证待焊接头处间隙不大于0.2mm，错边量不大于0.2mm；装配完成后组件及工装吊装至真空电子束焊机平台，调整水平并进行固定；进行抽真空处理，保证真空室真空度在2-7×10^-2pa；

步骤3：端框与铸件电子束焊接；

步骤3.1：进行电子束对中，采用nc数控编程进行焊接轨迹示教；

步骤3.2：对端框与铸件之间的焊缝进行点固；点固时使用上焦小电流电子束参数；

步骤3.3：对焊缝进行正式焊接，采用加扫描的上焦电子束焊接；

步骤4：蒙皮与端框焊接装配；

使用焊接工装装配端框和蒙皮，保证装配位置正确，待焊接头处间隙不大于0.2mm，错边量不大于0.2mm；装配完成后组件及工装吊装至真空电子束焊机平台，调整水平并进行固定；进行抽真空处理，保证真空室真空度在2-7×10^-2pa；

步骤5：蒙皮与端框电子束焊接；

步骤5.1：真空度满足要求后进行电子束对中，采用nc数控编程进行焊接轨迹示教；

步骤5.2：对蒙皮与端框之间的焊缝进行点固；点固使用上焦小电流电子束参数；

步骤5.3：对焊缝进行正式焊接，采用加扫描的上焦电子束焊接；

步骤6：蒙皮与铸件电子束焊接；

步骤6.1：进行电子束对中，采用nc数控编程进行焊接轨迹示教；

步骤6.2：对两个蒙皮之间的焊缝、蒙皮与铸件之间的焊缝进行点固；点固使用上焦小电流电子束参数；

步骤6.3：对焊缝进行正式焊接；正式焊接采用加扫描的上焦电子束焊接。

端框、铸件、蒙皮之间的焊缝结构形式为锁底对接。

端框与铸件之间的焊接接头厚度在6-15mm范围内；蒙皮与端框、铸件之间的焊接接头厚度为10mm。

步骤3.2和3.3中，端框与铸件的点固、正式焊接顺序为：内侧圆弧段→外侧圆弧段→左侧直线段→右侧直线段。

所述步骤3.2、步骤5.2和步骤6.2中点固时使用的上焦小电流电子束参数包括：加速电压u＝50kv，聚焦电流ic＝1700-1760ma，电子束流ib＝20-40ma，焊接速度v＝800-1200mm/min。

所述步骤3.3中采用加扫描的上焦电子束焊接的具体参数为：加速电压u＝50kv，聚焦电流ic＝1700-1760ma，电子束流ib＝40-100ma，焊接速度v＝800-1200mm/min，扫描方式：双余弦，扫描幅值vx＝2mm，vy＝1mm，扫描频率f＝300-600hz。

步骤3.3中，在进行端框与铸件间焊缝焊接时，当接头厚度由6mm增加至15mm时，电子束流由45ma增加至100ma。

所述步骤5.3中采用加扫描的上焦电子束焊接的具体参数为：加速电压u＝50kv，聚焦电流ic＝1700-1760ma，电子束流ib＝40-70ma，焊接速度v＝800-1200mm/min，扫描方式：双余弦，扫描幅值vx＝2mm，vy＝2mm，扫描频率f＝300-600hz。

步骤6.2和6.3中，两个蒙皮之间的焊缝、蒙皮与铸件之间的焊缝的正式顺序为由中间向两端施焊。

所述步骤6.3中采用加扫描的上焦电子束焊接的具体参数为：正式焊接工艺参数：加速电压u＝50kv，聚焦电流ic＝1700-1760ma，电子束流ib＝40-80ma，焊接速度v＝800-1200mm/min，扫描方式：双余弦，扫描幅值vx＝2mm，vy＝2mm，扫描频率f＝400-600hz。

在步骤6后还包括

步骤7：焊后质量检测；

焊后对电子束焊缝进行外观质量检测，确认焊缝表面是否存在裂纹、咬边、烧穿、气孔缺陷；采用x射线检测对焊缝内部质量进行检测；采用激光三维扫描仪对燃料舱外形尺寸进行测量。

本发明的优点在于：

1.使用上焦大电流电子束进行正式焊接，可改善焊缝表面焊接质量，实现一次焊接成形，避免修饰焊引起的焊接变形。使用加扫描的电子束流，可以改善焊缝成形，抑制接头内部气孔、钉尖的形成。

2.两个蒙皮之间的焊缝h7、蒙皮与铸件之间的焊缝h8的正式顺序为由中间向两端施焊，可以避免热量在焊缝中部积累，防止蒙皮中间出现凹陷。

附图说明

图1为异型复杂大厚度燃料舱简图；

图中，1-端框，2-铸件，3-蒙皮，h7、h8-焊缝

图2为异型复杂大厚度燃料舱端框结构简图；其中图2(1)正视图，图2(2)侧视图，图中a、b-旋转圆心，h1-h6-焊缝。

具体实施方式

下面结合附图及实例，对发明做进一步的说明。

以某飞行器燃料舱为例(图1)，由2个端框、1个铸件、2块蒙皮组成。铸件的材料为zl114a铝合金，端框和蒙皮的材料为5a06铝合金。该燃料舱总长1100mm，直径900mm，焊接接头最大厚度处为15mm。

具体实施方案按以下步骤进行：

步骤1：焊前准备；

将燃料舱的端框、蒙皮进行酸洗，去除表面油污、氧化膜，在50-80℃下烘干20-30min。使用钢丝刷将端框、蒙皮和铸件待焊接区域打磨至呈见光亮金属光泽，并用丙酮擦拭干净；

步骤2：端框与铸件焊接装配；

使用焊接工装装配2个端框和铸件，保证装配位置正确，待焊接头处间隙不大于0.2mm，错边量不大于0.2mm。装配完成后组件及工装吊装至真空电子束焊机平台，调整水平并进行固定。抽真空，保证真空室真空度在2-7×10^-2pa条件下施焊。

步骤3：端框与铸件电子束焊接；

步骤3.1：真空度满足要求后进行电子束对中，采用nc数控编程进行焊接轨迹示教。

步骤3.2：对图2中端框与铸件之间的焊缝h1、h2、h3、h4进行点固。点固使用上焦小电流电子束参数。点固顺序h1→h4→h2→h3。

点固工艺参数：

加速电压u＝50kv，聚焦电流ic＝1740ma(上焦)，电子束流ib＝30ma，焊接速度v＝1000mm/min。

步骤3.3：对焊缝进行正式焊接。焊接轨迹点固焊接过程一致，正式焊接采用加扫描的上焦电子束焊接。焊缝h1的焊接圆心为a点，焊缝h4的焊接圆心为b点。

正式焊接工艺参数：

加速电压u＝50kv，聚焦电流ic＝1730ma，电子束流ib＝45-100ma，焊接速度v＝1000mm/min，扫描方式：双余弦，扫描幅值vx＝2mm，vy＝1mm，扫描频率f＝400hz。进行h2和h3焊缝焊接时，当接头厚度由6mm增加至15mm时，电子束流由45ma线性增加至100ma。

步骤4：蒙皮与端框焊接装配；

使用焊接工装装配2个端框和2个蒙皮，保证装配位置正确，待焊接头处间隙不大于0.2mm，错边量不大于0.2mm。装配完成后组件及工装吊装至真空电子束焊机平台，调整水平并进行固定。抽真空，保证真空室真空度在2-7×10^-2pa条件下施焊。

步骤5：蒙皮与端框电子束焊接；

步骤5.1：真空度满足要求后进行电子束对中，采用nc数控编程进行焊接轨迹示教。

步骤5.2：对图2中蒙皮与端框之间的h5、h6焊缝进行点固。点固使用上焦小电流电子束参数。

点固工艺参数：

加速电压u＝50kv，聚焦电流ic＝1740ma，电子束流ib＝35ma，焊接速度v＝1100mm/min。

步骤5.3：对h5、h6焊缝进行正式焊接。焊接轨迹点固焊接过程一致，正式焊接采用加扫描的上焦电子束焊接。

正式焊接工艺参数：

加速电压u＝50kv，聚焦电流ic＝1730ma，电子束流ib＝60ma，焊接速度v＝900mm/min，扫描方式：双余弦，扫描幅值vx＝2mm，vy＝2mm，扫描频率f＝300hz。

步骤6：蒙皮与铸件电子束焊接；

步骤6.1：真空度满足要求后进行电子束对中，采用nc数控编程进行焊接轨迹示教。

步骤6.2：对两个蒙皮之间的焊缝h7、蒙皮与铸件之间的焊缝h8进行点固。点固使用上焦小电流电子束参数。

点固工艺参数：

加速电压u＝50kv，聚焦电流ic＝1730ma，电子束流ib＝30ma，焊接速度v＝1000mm/min

步骤6.3：对h7、h8焊缝进行正式焊接。正式焊接采用加扫描的上焦电子束焊接，焊接顺序为由中间向两端施焊。

正式焊接工艺参数：

加速电压u＝50kv，聚焦电流ic＝1720ma，电子束流ib＝70ma，焊接速度v＝1000mm/min，扫描方式：双余弦，扫描幅值vx＝2mm，vy＝2mm，扫描频率f＝500hz

步骤7：焊后质量检测；

焊后对电子束焊缝进行外观质量检测，表面无裂纹、咬边、烧穿、气孔等缺陷。采用x射线检测对焊缝内部质量进行检测。焊缝质量满足gjb1718a-2005《电子束焊接》i级接头要求。采用激光三维扫描仪对燃料舱外形尺寸进行测量，燃料舱的轮廓度控制在1.5mm以内。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更及等效变化，仍属于本发明技术方案的保护范围。