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火箭发动机液压身部异常分析

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摘要:某型火箭发动机液压身部锆铜内壁与电铸镍外壁成型后,经激光全息检测发现凸耳与电铸镍焊接位置背面存在约20mm的连接异常。采用三种状态试件对连接异常进行了验证分析,通过显微组织分析和显微硬度测试分析了激光全息检测连接异常的原因。结果表明:凸耳与电铸镍的焊接热传导使镀铜层的显微组织由原来的柱状晶转变为粗大的等轴晶,并且镀铜层显微硬度随电铸镍焊缝熔深的增大而降低,从而使焊缝区附近的镀铜层与正常位置处产生微观变形差异,最终造成激光全息检测的连接异常。

关键词:激光全息检测;连接异常;焊接热传导;镀铜层;显微组织;显微硬度

激光全息技术作为一种非接触光学无损检测方法,可以做到对位移、转动、应变、应力、振动、温度、压力、质量密度、电子密度等物理量的精确测量,检测速度快、检测结果直观,可以解决低密度材料连接、薄层结构连接的缺陷检测问题[1-2]。自其发明以来,激光全息技术的应用领域和范围不断拓展,尤其是近年来在航天、航空等领域更展现了其巨大的应用前景[3]。火箭各种型号的推力室,均采用激光全息方法来检测电铸层与基材的连接质量。推力室身部夹套采用铣槽锆铜内壁+预镀铜层+电铸镍外壁的成型工艺,在电铸沉积过程中,若基材表面清理不干净或工艺不稳定,很容易在电铸镍与锆铜基材分界面上形成紧贴型的未连接缺陷[4]。笔者通过模拟试验确认了某火箭发动机液压身部激光全息检测出的连接异常原因。

1试验过程与结果

1.1连接异常情况概述火箭发动机液压身部生产流程为:配套→焊接多孔环、凸耳、支板等零件→液压气密试验→激光全息摄影。液压身部经激光全息检测发现在法兰口顺时针方向约120°、距离边缘约60mm处有一处约20mm的连接异常,如图1所示。激光全息试验流程如图2所示,在夹套充入6MPa试验水,产品受到内压作用时,被检测表面将产生位移,设垂直于表面方向的位移为d,λ为激光波长(对于He-Ne激光器,λ=0.6328mm),N为干涉条纹级数。根据光的干涉原理,d=Nλ/2,如果在载荷作用下,缺陷区域形成1根闭合条纹,则缺陷表面与周围正常区域具有1/2个波长的位移差,即0.316μm,干涉条纹级数约为3,由此可以估算本台产品的异常区域较正常区域变形差约为0.9μm。推力室身部夹套采用铣槽锆铜内壁+预镀铜层+电铸镍外壁的成型工艺,如图3所示,经确认电铸身部的检测质量均合格,且从此台产品扩散段端头余量上检测的实际结合力也远大于要求值。因此,可以排除电铸质量引起连接异常的可能。连接异常位置大致为凸耳与电铸镍焊接位置背面。从产品结构特点和连接异常出现的位置来看,造成连接异常的原因为焊接热输入量过大,见图4。

1.2模拟试验过程与结果采用3种状态试件,对连接异常区域进行金 相相关性分析,具体分别为:1号为激光全息检查后发现连接异常的焊接背面的锆铜/电铸镍试件,2号为激光全息检查后未发现连接异常的焊接背面的锆铜/电铸镍试件,3号为距焊接区域较远的锆铜/电铸镍试件。1.2.1金相检验分别对3种试件的镀铜层/锆铜肋条处连接情况进行金相检验,发现试验锆铜肋条/镀铜层界面均未见脱黏或连接异常现象,见图5~7。采用20g氯化铜+100mL氨水溶液对3个试样镀铜层的显微组织进行化学侵蚀,观察可见焊接位置附近镀铜层的显微组织均为较大的等轴晶,见图8a)和图9a),而未焊接件和距焊接位置较远的镀铜层则均为细而长的柱状晶组织,且均沿垂直于基体的方向生长,说明镀铜时有择优取向沉积,见图8b)、图9b)和图10。由此说明对电铸镍层进行焊029接会使其附近的镀铜层柱状晶组织发生完全再结晶,形成不规则的粗大等轴晶,且晶界明显。分别对1号和2号试样电铸镍层的手工氩弧焊缝形貌进行观察,见图11和图12,焊缝组织显示采用10mL盐酸+38mL硝酸+100mL冰醋酸侵蚀液,并对各焊缝的熔深进行测量,结果见表1。1.2.2显微硬度测试在FM-700显微硬度计上使用0.98N(100gf)力加载30s,对3个试样的镀铜层进行显微硬度测试,结果见表1。可见1号和2号试样焊接位置附近镀铜层的显微硬度均比正常位置的要低;其中锆铜基体硬度与1号和2号试样正常位置镀铜层(即未焊接的位置)的硬度以及3号试样镀铜层的硬度一致,均为80~90HV0.1。1号和2号试样焊接位置附近镀铜层的显微硬度较接近,并且由1号和2号试样焊缝熔深可以看出一定的关系,即熔深越大,附近镀铜层的硬度则越低,如图13所示。

2综合分析

金相观察结果表明,1Cr18Ni9Ti不锈钢凸耳与电铸镍焊接位置附近的镀铜层显微组织发生了变化,由原来的具有方向性生长的柱状晶转变为粗大的等轴晶,而未焊接位置仍为原始镀层的柱状晶组织;并且等轴晶组织的显微硬度比柱状晶组织的要低;同时还发现镀铜层显微硬度与电铸镍层焊缝熔深尺寸存在对应关系,即熔深越大,硬度越低。电铸镍层与锆铜基体为异种金属连接,两种金属导热性能相差较大,焊接热输入过大时,热影响区变宽,而且受焊缝空间位置限制[5]。众所周知,铜的相变点(纯铜的再结晶温度为200~280℃)比镍的相变点(纯镍的熔点为1400℃以上)要低,具有非常好的导热性[6-7]。所以凸耳与电铸镍焊接时的热传导对其附近的镀铜层显微组织造成了影响[8],进而使焊接区附近的镀铜层显微硬度降低,并且电铸镍层熔深越大,附近镀铜层的显微硬度则越低。综合工况可知,1Cr18Ni9Ti不锈钢凸耳与电铸镍为手工氩弧焊接,电流虽在工艺要求范围内,但是台次间热输入散差理论上可能相对较大,有随着电流增大产品出现连接异常的频次增加的趋势。因此,单从记录可查的焊接电流这一项参数来看,电流越大,焊接热输入影响镀铜层组织越严重,引起激光全息检测连接异常的可能性也就越大。综上所述,焊接热传导使镀铜层的显微组织与显微硬度发生变化,从而影响了镀铜层产生微观变形差异,导致激光全息检测连接异常。

3结论

(1)凸耳与电铸镍的焊接热传导使镀铜层由原来的柱状晶转变为粗大的等轴晶,导致显微硬度比未焊接的原始镀铜层的要低。在激光全息检测时受焊接热影响的镀铜层与正常镀铜层产生微观变形差异,从而显示为连接异常。(2)凸耳与电铸镍的焊接熔深尺寸与镀铜层显微硬度之间存在一定的相关性,即熔深越大,镀铜层的硬度越低。

4建议

建议开展凸耳与电铸镍层焊接工艺的改进研究工作,进一步提高此焊缝结构对焊接工艺能力的覆盖裕度。为给发动机风险评估提供支撑,需开展一定的强度仿真、工艺试验工作。同时,应对凸耳与电铸镍层的焊接热输入采取严格的控制措施。

参考文献:

[1]李明.激光全息技术的发展及应用趋势研究[J].激光杂志,2005,26(6):13-15.

[2]王永红,闫明巍,刘国增,等.激光全息检测技术研究与应用[J].火箭推进,2016,42(4):74-75.

[3]李冠成,于艳春,王勇,等.激光全息技术的应用及发展趋势的研究[J].光学技术,2005,31(5):769-772.

[4]伏伍,段博译,田野,等.00Cr20Al6合金线材镀铜层的性能研究[J].电镀与环保,2016,36(5):9-10.

[5]王涛.电铸镍与不锈钢MIG焊焊接工艺[J].科技资讯,2006,35(24):34.

[6]黄伯云,李成功,石力开,等.中国材料工程大全第4卷:有色金属材料工程[M].北京:化学工业出版社,2006.

[7]李湘海,曹先杰.无氧铜棒材氧含量及挤压缩尾缺陷控制[J].理化检测(物理分册),2016,52(10):729-733.

[8]王伟,梁笑非,刘国泽.加热温度和保温时间对电阻丝晶粒尺寸的影响[J].理化检测(物理分册),2016,52(9):636-639.

作者:淡婷 马芳 李晓光 宋全 张国庆 张净 单位:首都航天机械有限公司

固体火箭技术杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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