0 引言

膜片隔离阀广泛应用于单组元液体火箭发动机推进剂贮存供应系统中,与推进剂预包装贮箱集成设计,对预包装推进剂进行封存隔离,系统工作时膜片沿刻痕破裂打开形成推进剂流体通道。对于使用自燃推进剂的系统,隔离阀的密封作用必须绝对可靠,不允许贮箱加注推进剂后有任何泄漏^[1]。

膜片隔离阀由预制有一定深度刻痕的金属膜片和壳体采用激光焊接工艺连接,金属膜片和壳体材料均为钛基金属,焊后通过气密性试验检查激光焊缝及膜片刻痕处的密封性能,膜片隔离阀的焊接质量将直接影响到系统工作的可靠性。目前,膜片隔离阀的研究主要集中在产品设计^[1]和产品试验^[2]领域,产品焊接方法和焊接质量控制的系统研究较少。本文从膜片隔离阀结构入手,分析了激光焊接工艺参数选用的原则,设计正交试验匹配出了激光焊接工艺规范,所焊接的产品焊缝质量、密封性能和破裂压力稳定性均能满足设计要求。

膜片隔离阀的典型结构见图1,金属膜片厚度为0.12 mm,直径Φ20 mm,壳体外形尺寸约为Φ24 mm×40 mm。金属膜片原材料为碘法钛TAD,壳体原材料为TC4,其各元素质量分数见表1,两种材料的冶金性和焊接工艺性较好^[3]。

图1 膜片隔离阀典型结构
Fig.1 Typical structure of membrane isolation valve

表1 焊接接头材料主要元素质量分数
Tab.1 Major element mass fraction of welded joint materials

金属膜片结构见图2,刻痕处剩余厚度仅为0.05 mm左右,刻痕与焊缝位置距离大约为2 mm。膜片隔离阀激光焊缝设计要求见表2,焊接接头除了满足熔深、表面质量和气密检查要求外,还需要严格控制热输入量使得焊接过程不会对金属膜片刻痕位置产生显著影响,从而保证膜片隔离阀的工作可靠性。

图2 金属膜片结构示意图
Fig.2 Structure of metal membrane

表2 膜片隔离阀激光焊缝设计要求
Tab.2 Design requirements for laser welding seam of membrane isolation valve

材料的激光焊接是激光束在材料表面反射、透射和吸收的复杂综合过程,本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果,只有被吸收的激光才能激发带电粒子运动转化成热能,使金属发生固体到液体、固体到气体或者基于二者之间的转变,实现金属的熔合^[4-5]。

根据激光作用在工件上的功率密度,激光焊接分为热传导焊和深熔焊^[6]。激光热传导焊时,材料表面的功率密度相对较低,材料表面仅存在液—固界面向材料内部推移形成熔池的过程,焊缝熔深相对较小,热影响区小,焊接变形小; 激光深熔焊时,金属表面的高激光功率密度使金属快递蒸发,金属在蒸汽压力、反冲力等共同作用下形成小孔,实现“小孔焊接”,焊缝熔深相对较大,热影响区大^[7-10]。

膜片隔离阀金属膜片厚度小,焊缝位置靠近金属膜片刻痕外侧,二者热容差异大,金属膜片与壳体激光焊接时会伴随着零件的不均匀加热,严重时会导致零件的焊接应力积聚甚至变形^[11]。为了兼顾焊缝质量及金属膜片破裂压力性能,需要保证焊接零件热输入量小。热导焊焊接模式可以在保证金属膜片熔透的前提下引入较少的焊接热输入量,因而适用于膜片隔离阀的激光焊接。

在热导焊模式下,金属材料对激光的吸收率取决于激光波长、材料物性等固有因素及温度、表面状况(表面涂层和表面粗糙度)和激光功率密度等工艺因素^[12]。脉冲激光焊接的功率密度P_d(单位为W/cm²)可表示为

P_d=4P/(πd²)(1)

式中:P为激光作用于材料表面的平均功率,W; d为作用于金属表面激光束的光斑直径,cm。

平均功率P取决于激光器发射的功率和材料的热物理性能,本文采用激光器发射的平均功率P_E表示激光作用于材料表面的平均功率P,作为不同试验件参数的比较依据,其数学表达式为

P_E=P_Pτf (2)

式中:P_P为激光脉冲峰值功率,W; τ为脉冲宽度,s; f为脉冲频率,Hz。

综合式(1)和式(2),脉冲激光焊接的功率密度P_d可表示为

P_d=4P_Pτf/(πd²)(3)

激光焊接时,激光束照射到金属材料表面,金属材料内部电子运动转化成热能后使金属材料熔化—凝固实现接头的熔合,理想的情况是接头两侧金属同时熔化形成稳定熔池^[13]。对于膜片隔离阀,由于金属膜片和壳体热容差异大,满足壳体和金属膜片同时达到金属熔化温度时,壳体吸收的热量要远远大于金属膜片。要满足焊缝两侧金属吸收的瞬时能量基本相同,就要求激光焊接能量密度相对集中,因此,选用焦距较小的聚焦透镜进行膜片隔离阀的焊接,聚焦透镜焦距为100 mm,聚焦光斑直径0.2 mm。

选用热导焊焊接模式进行膜片隔离阀激光焊接的根本原因是该模式的焊接热输入量小。减少焊接热输入量的一个方法是减小焊接功率密度,根据式(3)可知,在聚焦透镜光斑直径确定的前提下,峰值功率越小,功率密度越小,因此选用设备所能提供的最小峰值功率密度500 W后续工艺研究。

除聚焦透镜焦距和脉冲峰值功率外,脉冲激光焊接主要工艺参数还包括脉冲宽度、脉冲频率、重叠系数和离焦量^[14]。根据焊接冶金学理论,激光热导焊模式中,熔池形成的驱动力以熔池表面张力梯度引起的剪切力和浮力为主,相应的熔池流动机制分别为Marangoni对流和浮力引起的对流。Marangoni对流由熔池表面张力梯度引起,对熔池深度有明显影响; 浮力引起的对流由熔池近表面材料热胀冷缩引起,对熔池宽度有影响,但较强的Marangoni对流可以限制浮力引起的对流^[15]。研究表明:脉冲宽度为单个脉冲激光在金属表面的作用时间,影响焊缝区域以及焊缝表面区域温度梯度,从而影响Marangoni对流和浮力效应引起的对流,决定焊缝的熔深和熔宽,对焊缝宽度影响大; 脉冲频率为单位时间内脉冲激光的数量,影响非激光作用阶段熔池的热扩散行为,引起稳态Marangoni对流和浮力对流时间的改变,从而影响焊缝的熔深和熔宽^[15-16]。

离焦量主要影响金属表面激光束的光斑直径d,当离焦量为0时,光斑直径最小,为聚焦透镜的光斑直径。研究表明,光斑直径和离焦量Δz存在正相关关系^[17]

d∝(Δz)²+d₀(4)

式中d₀为聚焦透镜光斑直径。

根据焦点位置和金属表面的相对位置,离焦量分为正离焦和负离焦,当焦点位置在焊接材料上方时为正离焦,反之为负离焦。根据光束的聚焦特性,当正、负离焦表面距金属表面位置相同时,辐照在金属材料表面的激光束光斑直径相同,因此激光功率密度相同^[18]。但是,采用负离焦进行焊接,材料内部的功率密度高于材料表面,温度梯度大所导致的稳态Marangoni对流时间长,因此焊缝熔深更大。所以,厚度较薄的板材、带材宜采用正离焦进行激光焊接^[19]。

脉冲激光焊接的焊接速率一般通过光斑直径d、脉冲频率f和重叠系数K计算,即

v=df(1-K)(5)

式中K值一般选取0.5～0.9。

式(5)表明,焊接速率与脉冲频率和光斑直径成正相关,与重叠系数成负相关。焊接速率影响单脉冲能量,在其他参数不变的前提下,焊接速率的增加会导致Marangoni对流和浮力效应对流过程减弱,焊缝的熔深和熔宽随之减小。

本文基于正交试验对膜片隔离阀的脉冲激光焊接工艺进行研究,具体结论如下。

1)膜片隔离阀脉冲激光焊接宜采用热导焊焊接模式,选用短焦透镜和低峰值功率可以保证焊缝接头质量及产品使用性能。

2)建立L₉(3⁴)正交试验表,极差分析得出影响焊缝熔深的主次顺序为脉冲频率、离焦量、脉冲宽度、重叠系数,匹配出适用于膜片隔离阀的焊接规范为20 Hz、0.5 mm、2.5 ms和0.75。

3)修正功率密度P_d'可以综合表征脉冲能量、离焦量对焊缝熔深的影响,焊缝熔深随着P_d'的增加而增加,且当P_d'增大到一定值后,熔深出现急剧增加的现象。

4)膜片隔离阀需选取较小修正功率密度P_d'和较低焊接速率v或者较大修正功率密度P_d'和较高焊接速率v来满足焊接要求。

5)膜片隔离阀的工艺流程和基于正交试验优化的激光焊接工艺规范能够保证产品的焊缝外观质量、密封性和破裂压力稳定性。产品已配套至多种型号飞行产品,并经过了飞行及试车考核。