高鳳林 陳志凱 楊海鑫 孔兆財(cái) 鄒鶴飛 馬鐵錚 李文武

設(shè)計(jì)·工藝

30CrMnSiA五米直徑雙機(jī)機(jī)架焊接技術(shù)研究

高鳳林 陳志凱 楊海鑫 孔兆財(cái) 鄒鶴飛 馬鐵錚 李文武

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

某型號(hào)雙機(jī)機(jī)架外形尺寸大，結(jié)構(gòu)剛性大，材料焊接性差，焊縫密集區(qū)的焊接應(yīng)力與變形易在焊縫及形位邊緣得到放大，從而產(chǎn)生裂紋和較大焊接變形。通過(guò)對(duì)機(jī)架的材料、結(jié)構(gòu)、焊縫分布、焊接變形以及設(shè)計(jì)技術(shù)要求進(jìn)行分析，制定了焊前、焊后處理方法，降低焊縫冷卻速度，減小焊接淬硬傾向；設(shè)計(jì)專(zhuān)用的裝配焊接工裝，制定合理焊接順序，限制了零件焊接變形。機(jī)架焊縫經(jīng)吹砂煤油試驗(yàn)檢查，未發(fā)現(xiàn)任何裂紋，外形尺寸滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，抽樣的機(jī)架通過(guò)了靜力試驗(yàn)考核。

雙機(jī)機(jī)架；裂紋；焊接應(yīng)力；焊接變形

1 引言

探月工程、火星探測(cè)、空間站建設(shè)，對(duì)于大型運(yùn)載火箭的需求也越來(lái)越緊迫，因此，發(fā)展我國(guó)大直徑、大推力、高性能、低成本、無(wú)毒、無(wú)污染的新一代大型運(yùn)載火箭成為重中之重。某型號(hào)五米直徑雙機(jī)機(jī)架（圖1）作為新一代運(yùn)載火箭芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部件，用于新一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與箭體連接，為桁架式正推傳力構(gòu)件，兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)（2×50t）將全部推力通過(guò)機(jī)架傳遞給箭體。機(jī)架主要組成材料為30CrMnSiA，含碳、合金元素較多，焊接性差，焊后容易造成脆化及裂紋等缺陷；局部區(qū)域的焊縫密集，容易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)承載力下降和延時(shí)裂紋等缺陷；另外外形尺寸大，焊縫密集區(qū)的焊接變形很容易在形位邊緣得到放大，從而產(chǎn)生較大的焊接變形。本文針對(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)展了某型號(hào)雙機(jī)機(jī)架裝配、焊接技術(shù)的研究工作，為新一代大型運(yùn)載火箭芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)研制的順利進(jìn)行提供了基礎(chǔ)，并為類(lèi)似大尺寸空間桁架結(jié)構(gòu)型號(hào)產(chǎn)品生產(chǎn)提供了參考，具有很好的應(yīng)用前景。

圖1 某型號(hào)雙機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)模型

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品直徑為5m，為桁架式正推傳力構(gòu)件，主要組成零件包括：110mm×3.5mm的第一、二、三主承力桿；80mm×3 mm的梁中點(diǎn)支撐桿；50mm×2mm的第一、二、三支架支撐桿；第一、二、三拉桿（復(fù)合材料）；2個(gè)第一上支座；4個(gè)第二上支座；2個(gè)下支座；1個(gè)梁中點(diǎn)接頭；2個(gè)支架端點(diǎn)耳座。

其主要技術(shù)指標(biāo)為：機(jī)架6個(gè)上支座所在平面的平面度偏差≤0.2mm；下支座與上支座的平行度偏差≤0.3mm；批抽檢件在165t靜載壓力下，結(jié)構(gòu)不破壞；每臺(tái)產(chǎn)品進(jìn)行單倍載荷靜力試驗(yàn)，要求位移不大于10mm。

2.2 材料分析

機(jī)架零件的主要組成材料為30CrMnSiA，化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 30CrMnSiA的化學(xué)成分 %

表2 30CrMnSiA的力學(xué)性能

碳當(dāng)量對(duì)于材料的焊接性有直接影響，碳當(dāng)量越高，材料的淬硬傾向也越大。根據(jù)碳當(dāng)量計(jì)算公式：CEN=C+Mn/6+(Cr+Co+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.73%[1]，因此，30CrMnSiA的淬硬傾向很大，在焊接熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的馬氏體，導(dǎo)致嚴(yán)重脆化；其次，熱影響區(qū)被加熱到超過(guò)調(diào)質(zhì)處理時(shí)溫度的區(qū)域，將出現(xiàn)強(qiáng)度、硬度低于母材的軟化區(qū)，由于產(chǎn)生大量的馬氏體，增加了冷裂紋的傾向[2，3]。

2.3 焊接應(yīng)力與變形分析

2.3.1 焊接應(yīng)力

機(jī)架的焊縫較多，方向變化多，在焊縫集中的局部區(qū)域，易出現(xiàn)較大的焊接應(yīng)力，容易產(chǎn)生焊接裂紋。例如，機(jī)架的下支座集中了第一、二、三主承力桿；梁中點(diǎn)支撐桿；第二支架支撐桿的焊接（如圖2所示）；上支座集中了第二主承力桿；第一支架支撐桿、第一、二、三復(fù)合拉桿的焊接，局部區(qū)域的焊縫密集，焊接應(yīng)力大。

圖2 機(jī)架下支座焊縫分布示意圖

2.3.2 焊接變形

由于產(chǎn)品整體形狀尺寸較大，焊縫方向差別明顯，焊縫密集區(qū)的焊接變形很容易在形位邊緣得到放大，從而產(chǎn)生較大的焊接變形。如圖3所示，機(jī)架的6個(gè)上支座是分布在直徑5000mm平面的六點(diǎn)上，設(shè)計(jì)圖紙要求機(jī)架上支座機(jī)加工余量為3.5～4.5mm。假設(shè)上支座所在平面的撓曲變形量為Δ，上支座需要機(jī)加工量Δ，以平臺(tái)左邊上支座為基準(zhǔn)，若機(jī)加量Δ=4.5mm，平臺(tái)右端的上支座加工量變?yōu)棣?Δ即4.5-Δ，由于上支座的機(jī)加工量范圍為3.5～4.5mm，且設(shè)計(jì)要求機(jī)架上支座所在平面機(jī)加后的平面度偏差不大于0.2mm，為保證平臺(tái)右端上支座加工量在要求的范圍內(nèi)，需要Δ≤1mm，如果Δ=3.5mm，那么Δ=0才能滿(mǎn)足右端的上支座機(jī)架工量符合設(shè)計(jì)要求?？紤]到上支座的平面直徑5000mm，而平面撓曲變形量Δ≤1mm，因此，必須采取各種工藝措施，控制產(chǎn)品的焊接變形，滿(mǎn)足機(jī)加工后產(chǎn)品能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖3 機(jī)架上支座平面撓曲變形示意圖

3 制造工藝

針對(duì)五米雙機(jī)機(jī)架外形尺寸大、容易產(chǎn)生較大焊接應(yīng)力致使產(chǎn)品產(chǎn)生變形與裂紋，以及設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品型位尺寸和性能要求嚴(yán)格等問(wèn)題，開(kāi)展了系統(tǒng)的雙機(jī)機(jī)架裝配、焊接技術(shù)研究，最終機(jī)架通過(guò)了靜力試驗(yàn)的考核。

3.1 設(shè)計(jì)專(zhuān)用裝配焊接工裝

機(jī)架的上支座、下支座、支架端點(diǎn)耳座區(qū)域由于焊縫數(shù)量較多，確定為焊接主體件，焊縫集中會(huì)導(dǎo)致較大焊接變形。另外，由于機(jī)架整體尺寸較大，焊縫集中區(qū)域的焊接變形很容易在形位邊緣得到放大，加劇焊接變形，因此必須控制機(jī)架焊接主體件的焊接變形，滿(mǎn)足機(jī)加工后能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 第二上支座固定示意圖

專(zhuān)用的裝配焊接工裝能保證零件的位置要求，同時(shí)也能增加零件的剛度，限制其焊接變形。選取上支座所在的平面為整個(gè)裝配焊接工裝的基準(zhǔn)面?；鶞?zhǔn)面上設(shè)6根立柱，通過(guò)定位銷(xiāo)、螺栓把立柱固定在基準(zhǔn)面相應(yīng)位置，然后通過(guò)螺栓、定位銷(xiāo)把定位座與立柱連接固定，最后定位座、定位銷(xiāo)、螺栓配合固定下支座、支架端點(diǎn)耳座。根據(jù)“六點(diǎn)定位原則”，在基準(zhǔn)平面上利用壓板、定位銷(xiāo)、螺栓固定機(jī)架的第一、二上支座，壓板的外形貼合零件輪廓尺寸最大的面，保證零件安裝的穩(wěn)定性。以第二上支座為例（見(jiàn)圖4），定位銷(xiāo)2將上支座和壓板連接定位，限制上支座、軸的平移自由度，軸的繞軸自由度，壓板限制上支座軸平移自由度，、軸的繞軸自由度，壓緊螺栓壓緊上支座，利于上支座的穩(wěn)定。底座設(shè)計(jì)成帶槽形式，這樣壓板能沿著槽在底座軸方向前后移動(dòng)，便于主承力桿的修配，當(dāng)主承力桿修配到合適位置時(shí)，2個(gè)定位銷(xiāo)1插入上支座和壓板的孔中，同時(shí)擰緊固定螺栓，這樣就把上支座限定在基準(zhǔn)面的相應(yīng)位置上，保證了零件的裝配尺寸滿(mǎn)足圖紙要求。第一上支座的固定方式類(lèi)似，整個(gè)工裝方便拆卸、組裝和焊接操作。

3.2 防治焊接裂紋

分析機(jī)架零件材料的焊接性得知，30CrMnSiA材料在焊接熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的馬氏體，導(dǎo)致嚴(yán)重脆化，其次，熱影響區(qū)被加熱到超過(guò)調(diào)質(zhì)處理時(shí)溫度的區(qū)域，將出現(xiàn)強(qiáng)度、硬度低于母材的軟化區(qū)，脆性的馬氏體在應(yīng)力作用下易產(chǎn)生焊接裂紋[4]。另外，機(jī)架的焊縫較多，局部區(qū)域焊縫集中，容易出現(xiàn)較大的焊接應(yīng)力，這也增加了機(jī)架焊接裂紋的傾向，因此，需要采取合適的焊接工藝防治焊接裂紋的產(chǎn)生。通過(guò)制定正確的焊接工藝，合理地安排施焊順序改善機(jī)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)等措施防止了機(jī)架焊接裂紋產(chǎn)生。

3.2.1 焊接工藝

焊前清理待焊零件表面的油、水、污物，對(duì)銹蝕嚴(yán)重的零件進(jìn)行吹砂處理，去除表面的銹蝕[5]。焊條烘干，烘干溫度300～350℃，時(shí)間2h，控制焊接過(guò)程中氫的來(lái)源，減小冷裂紋傾向。機(jī)架零件的裝配間隙不大于0.7mm，錯(cuò)位量不大于0.5mm，裝配、定位、焊接連續(xù)工作，縮短中間停頓時(shí)間，防止定位焊接時(shí)焊縫組織產(chǎn)生的應(yīng)力拉開(kāi)焊點(diǎn)造成的裝配變形，減少焊接收縮量，控制焊接完成后的殘余應(yīng)力。

對(duì)機(jī)架焊接區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度范圍為150～200℃，焊前預(yù)熱可以減小焊縫的冷卻速度，降低焊縫近縫區(qū)的淬硬傾向，還可以改善焊接接頭的塑性，減小焊接殘余應(yīng)力，進(jìn)而減小冷裂紋傾向。盡量減小焊接過(guò)程中焊縫高度，以滿(mǎn)足要求為限，采用小電流焊接，控制焊接熱輸入，焊條與焊接方向的角度維持在50°～70°,避免電弧集中、熔池溫度過(guò)高。因?yàn)?，大電流焊接雖然能提高焊接熱輸入，在一定程度上減緩了焊縫冷卻速度，但同時(shí)也會(huì)使得馬氏體晶粒更大、穩(wěn)定，在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生穩(wěn)定的粗大馬氏體，加重了熱影響區(qū)的脆化。焊后進(jìn)行保溫措施，讓焊縫中的氫擴(kuò)散出來(lái)，減少焊縫中擴(kuò)散氫含量。

3.2.2 施焊順序

針對(duì)機(jī)架的結(jié)構(gòu)及焊縫分布特點(diǎn)，采取合適的施焊順序改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，減小機(jī)架裂紋傾向。先焊接機(jī)架中心的梁中點(diǎn)接頭區(qū)域，避免焊縫收縮向機(jī)架一側(cè)累積從而引起機(jī)架各零件之間的裝配尺寸誤差，如果裝配尺寸過(guò)大會(huì)帶來(lái)很大的焊接收縮量，進(jìn)而產(chǎn)生很大的焊接殘余應(yīng)力。采用對(duì)稱(chēng)焊接方法焊接梁中點(diǎn)區(qū)域，兩名焊工在兩邊對(duì)稱(chēng)地同時(shí)施焊，采用此方法能使焊接應(yīng)力相互抵消，減少殘余應(yīng)力。先焊接零件自由收縮量大的部分，再焊接自由收縮量小的部分，這樣焊縫能盡量收縮。

3.3 控制焊接變形

一方面，機(jī)架的梁中點(diǎn)接頭區(qū)域、下支座區(qū)域、上支座區(qū)域?yàn)楹缚p集中區(qū)域，其中梁中點(diǎn)接頭、下支座、上支座為焊接主體件，區(qū)域的焊縫集中，焊接應(yīng)力大，容易造成較大焊接變形。另一方面，梁中點(diǎn)接頭用于安裝伺服機(jī)構(gòu)，下支座用于安裝常平座進(jìn)而與發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)接，上支座用于與箭體連接，設(shè)計(jì)對(duì)這幾處的位置尺寸都有嚴(yán)格要求。因此，必須嚴(yán)格控制這些區(qū)域的焊接變形，通過(guò)剛性固定法增加焊接主體件的剛度，減小焊縫收縮帶來(lái)的撓曲變形，同時(shí)采用控制焊接順序、方向及位置的工藝方法來(lái)控制焊接變形。

3.3.1 梁中點(diǎn)接頭區(qū)域焊接變形控制

梁中點(diǎn)接頭處于機(jī)架的中心位置，此處集中了第三主承力桿、梁中點(diǎn)支撐桿、第三支架支撐桿分別與梁中點(diǎn)接頭焊接的環(huán)形角焊縫，焊縫集中，焊接應(yīng)力大，如果不采取合理的焊接順序，將產(chǎn)生很大的撓曲變形，影響后續(xù)伺服機(jī)構(gòu)的安裝。由于此處的焊縫分布較對(duì)稱(chēng)，通過(guò)對(duì)稱(chēng)焊接的方法減小焊接應(yīng)力，可以起到控制焊接變形的目的。具體的操作步驟為：

a. 先對(duì)稱(chēng)焊接第三主承力桿。由于梁中點(diǎn)接頭已經(jīng)通過(guò)剛性固定，先焊接第三主承力桿能讓其有更多的伸縮量，2名焊工在主承力桿的兩邊對(duì)稱(chēng)地同時(shí)施焊，采用此方法能使焊接應(yīng)力相互抵消，減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

b. 對(duì)主承力桿的長(zhǎng)環(huán)形焊縫進(jìn)行分段焊接，每名焊工的焊接順序如圖5所示，分段焊接能減小焊接的熱輸入，從而減小焊接變形。

c. 最后再焊接梁中點(diǎn)支撐桿、第三支架支撐桿，焊接方法類(lèi)似于主承力桿的焊接。由于第三主承力桿已經(jīng)與梁中點(diǎn)接頭焊接為一體，增加了梁中點(diǎn)接頭的剛性，再焊接梁中點(diǎn)支撐桿時(shí)，焊縫的收縮變形將受到較大阻礙，這樣能減小焊縫冷卻收縮引起的變形。

圖5 梁中點(diǎn)接頭區(qū)域焊接順序示意圖

3.3.2 下支座區(qū)域焊接變形控制

下支座區(qū)域匯聚了第一、二、三主承力桿和第二支架支撐桿的環(huán)形角焊縫（見(jiàn)圖6a），局部區(qū)域的焊縫集中，如果不采取合適的焊接順序?qū)?huì)帶來(lái)很大的角變形，給后續(xù)的機(jī)加工帶來(lái)困難，最終影響發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配。

a. 首先采用剛性固定下支座，增大下支座的剛度，減小焊縫收縮產(chǎn)生的角變形。

b. 要求主承力桿與下支座的裝配間隙≤0.7mm，以利于在焊縫橫向收縮時(shí)減小下支座區(qū)域的焊接應(yīng)力。

c. 由于主承力桿外徑尺寸較大，且設(shè)計(jì)要求焊縫的焊腳為4，封閉的長(zhǎng)環(huán)形焊縫冷卻收縮的過(guò)程中會(huì)帶來(lái)很大的焊接應(yīng)力，從而造成主承力桿的扭曲變形以及下支座的角變形，需要利用合理的焊接順序控制，采用分段對(duì)稱(chēng)焊接環(huán)形焊縫（圖6b），分段焊接能有效地控制焊接熱輸入，對(duì)稱(chēng)焊接能使得焊接應(yīng)力相互抵消，從而減小焊接變形，焊接順序從下至上，避免熔滴由于重力作用下墜導(dǎo)致的不便操作的缺點(diǎn)。

圖6 下支座區(qū)域焊縫分布及焊接順序示意圖

3.3.3 上支座焊接區(qū)域焊接變形控制

由于上支座通過(guò)剛性固定，因此上支座底面焊縫只有在正面焊縫冷卻后翻轉(zhuǎn)機(jī)架才能焊接。正面焊縫如采用連續(xù)焊接方法，熱輸入量較大，易產(chǎn)生角變形，為控制其變形，采用如下的焊接順序和方向（圖7），按圖示順序焊接正面焊縫1、2、3、4、5、6，冷卻下架后再焊反面焊縫7、8、9、10、11、12，將焊縫分成3段焊接，有效地控制了熱輸入量，同時(shí)也避免了連續(xù)施焊可能帶來(lái)的燒穿及合金元素的燒損。焊接收弧時(shí)將弧坑填滿(mǎn)，避免和防止產(chǎn)生弧坑裂紋。

圖8 上支座區(qū)域焊接順序示意圖

4 產(chǎn)品性能驗(yàn)證

4.1 焊縫檢測(cè)

按設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品焊縫需要進(jìn)行吹砂煤油試驗(yàn)，不允許有裂紋缺陷。截止到目前，生產(chǎn)的15臺(tái)產(chǎn)品焊縫均合格。

4.2 靜力試驗(yàn)

每批產(chǎn)品抽檢一臺(tái)進(jìn)行批抽檢靜力破壞試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，批抽檢件在200t時(shí)才出現(xiàn)破壞，驗(yàn)證了焊接質(zhì)量控制措施有效。

每臺(tái)產(chǎn)品需要進(jìn)行單倍載荷靜力試驗(yàn)，位移不大于10mm。經(jīng)測(cè)試，產(chǎn)品在70t噸下位移不大于6mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.3 產(chǎn)品尺寸精度

產(chǎn)品機(jī)加工后，測(cè)量其精度，機(jī)架6個(gè)上支座所在平面的平面度偏差≤0.15mm；下支座與上支座的平行度偏差≤0.2mm，精度全部滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

采取對(duì)稱(chēng)焊接、分段焊接、剛性固定、控制焊件熱輸入等措施有效地控制了產(chǎn)品的焊接裂紋和變形問(wèn)題，相關(guān)成果已經(jīng)應(yīng)用在型號(hào)產(chǎn)品生產(chǎn)中，生產(chǎn)的產(chǎn)品通過(guò)了靜力試驗(yàn)的考核，并成功用于飛行，為類(lèi)似大尺寸空間桁架結(jié)構(gòu)的型號(hào)產(chǎn)品生產(chǎn)提供了參考，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量可靠性具有重要的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 宋東明. 30CrMnSiA鋼的焊接[J]. 航天工藝，1992(2)：23～25

2 徐賓. 30CrMnSiA殼體激光焊接研究[D]. 成都：四川大學(xué)，2002

3 楊學(xué)勤. 某型號(hào)30CrMnSiA 氣瓶焊接裂紋的研究[J]. 上海航天，1996(4)：56～59

4 姜煥中. 電弧焊與電渣焊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992

5 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007

Study on Welding Technology of 30CrMnSiA Five Meter Diameter Double Machine Frame

Gao Fenglin Chen Zhikai Yang Haixin Kong Zhaocai Zou Hefei Ma Tiezheng Li Wenwu

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

The external dimension of a double machine frame was large, the structural rigidity was large, and the material weldability was poor. The welding stress and deformation in the dense weld area were easy to be amplified in the weld and shape edge, resulting in cracks and large welding deformation. By analyzing the material, structure, weld distribution, welding deformation and design technical requirements of the frame, the pre-welding and post-welding treatment methods were formulated to reduce the cooling rate of the weld and the tendency of welding hardening. The welding deformation of the parts was limited by designing special assembly and welding tooling, and developing a reasonable welding order. Through sand blasting kerosene test, no cracks were found on the welds of the frame, the overall dimensions meet the design requirements, and the sampled frame had passed the static test.

double machine frame；crack；welding stress；welding deformation

TG444

A

高鳳林（1962），特級(jí)技師，首席技能專(zhuān)家；研究方向：焊接技術(shù)工藝應(yīng)用與實(shí)踐。

2021-11-06