火箭發(fā)動機液壓身部異常分析范文

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摘要：某型火箭發(fā)動機液壓身部鋯銅內(nèi)壁與電鑄鎳外壁成型后，經(jīng)激光全息檢測發(fā)現(xiàn)凸耳與電鑄鎳焊接位置背面存在約20mm的連接異常。采用三種狀態(tài)試件對連接異常進行了驗證分析，通過顯微組織分析和顯微硬度測試分析了激光全息檢測連接異常的原因。結(jié)果表明：凸耳與電鑄鎳的焊接熱傳導使鍍銅層的顯微組織由原來的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮牡容S晶，并且鍍銅層顯微硬度隨電鑄鎳焊縫熔深的增大而降低，從而使焊縫區(qū)附近的鍍銅層與正常位置處產(chǎn)生微觀變形差異，最終造成激光全息檢測的連接異常。

關鍵詞：激光全息檢測；連接異常；焊接熱傳導；鍍銅層；顯微組織；顯微硬度

激光全息技術(shù)作為一種非接觸光學無損檢測方法，可以做到對位移、轉(zhuǎn)動、應變、應力、振動、溫度、壓力、質(zhì)量密度、電子密度等物理量的精確測量，檢測速度快、檢測結(jié)果直觀，可以解決低密度材料連接、薄層結(jié)構(gòu)連接的缺陷檢測問題［1－2］。自其發(fā)明以來，激光全息技術(shù)的應用領域和范圍不斷拓展，尤其是近年來在航天、航空等領域更展現(xiàn)了其巨大的應用前景［3］。火箭各種型號的推力室，均采用激光全息方法來檢測電鑄層與基材的連接質(zhì)量。推力室身部夾套采用銑槽鋯銅內(nèi)壁＋預鍍銅層＋電鑄鎳外壁的成型工藝，在電鑄沉積過程中，若基材表面清理不干凈或工藝不穩(wěn)定，很容易在電鑄鎳與鋯銅基材分界面上形成緊貼型的未連接缺陷［4］。筆者通過模擬試驗確認了某火箭發(fā)動機液壓身部激光全息檢測出的連接異常原因。

1試驗過程與結(jié)果

1．1連接異常情況概述火箭發(fā)動機液壓身部生產(chǎn)流程為：配套→焊接多孔環(huán)、凸耳、支板等零件→液壓氣密試驗→激光全息攝影。液壓身部經(jīng)激光全息檢測發(fā)現(xiàn)在法蘭口順時針方向約120°、距離邊緣約60mm處有一處約20mm的連接異常，如圖1所示。激光全息試驗流程如圖2所示，在夾套充入6MPa試驗水，產(chǎn)品受到內(nèi)壓作用時，被檢測表面將產(chǎn)生位移，設垂直于表面方向的位移為d，λ為激光波長（對于He－Ne激光器，λ＝0．6328mm），N為干涉條紋級數(shù)。根據(jù)光的干涉原理，d＝Nλ／2，如果在載荷作用下，缺陷區(qū)域形成1根閉合條紋，則缺陷表面與周圍正常區(qū)域具有1／2個波長的位移差，即0．316μm，干涉條紋級數(shù)約為3，由此可以估算本臺產(chǎn)品的異常區(qū)域較正常區(qū)域變形差約為0．9μm。推力室身部夾套采用銑槽鋯銅內(nèi)壁＋預鍍銅層＋電鑄鎳外壁的成型工藝，如圖3所示，經(jīng)確認電鑄身部的檢測質(zhì)量均合格，且從此臺產(chǎn)品擴散段端頭余量上檢測的實際結(jié)合力也遠大于要求值。因此，可以排除電鑄質(zhì)量引起連接異常的可能。連接異常位置大致為凸耳與電鑄鎳焊接位置背面。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和連接異常出現(xiàn)的位置來看，造成連接異常的原因為焊接熱輸入量過大，見圖4。

1．2模擬試驗過程與結(jié)果采用3種狀態(tài)試件，對連接異常區(qū)域進行金 相相關性分析，具體分別為：1號為激光全息檢查后發(fā)現(xiàn)連接異常的焊接背面的鋯銅／電鑄鎳試件，2號為激光全息檢查后未發(fā)現(xiàn)連接異常的焊接背面的鋯銅／電鑄鎳試件，3號為距焊接區(qū)域較遠的鋯銅／電鑄鎳試件。1．2．1金相檢驗分別對3種試件的鍍銅層／鋯銅肋條處連接情況進行金相檢驗，發(fā)現(xiàn)試驗鋯銅肋條／鍍銅層界面均未見脫黏或連接異常現(xiàn)象，見圖5～7。采用20g氯化銅＋100mL氨水溶液對3個試樣鍍銅層的顯微組織進行化學侵蝕，觀察可見焊接位置附近鍍銅層的顯微組織均為較大的等軸晶，見圖8a）和圖9a），而未焊接件和距焊接位置較遠的鍍銅層則均為細而長的柱狀晶組織，且均沿垂直于基體的方向生長，說明鍍銅時有擇優(yōu)取向沉積，見圖8b）、圖9b）和圖10。由此說明對電鑄鎳層進行焊029接會使其附近的鍍銅層柱狀晶組織發(fā)生完全再結(jié)晶，形成不規(guī)則的粗大等軸晶，且晶界明顯。分別對1號和2號試樣電鑄鎳層的手工氬弧焊縫形貌進行觀察，見圖11和圖12，焊縫組織顯示采用10mL鹽酸＋38mL硝酸＋100mL冰醋酸侵蝕液，并對各焊縫的熔深進行測量，結(jié)果見表1。1．2．2顯微硬度測試在FM－700顯微硬度計上使用0．98N（100gf）力加載30s，對3個試樣的鍍銅層進行顯微硬度測試，結(jié)果見表1。可見1號和2號試樣焊接位置附近鍍銅層的顯微硬度均比正常位置的要低；其中鋯銅基體硬度與1號和2號試樣正常位置鍍銅層（即未焊接的位置）的硬度以及3號試樣鍍銅層的硬度一致，均為80～90HV0．1。1號和2號試樣焊接位置附近鍍銅層的顯微硬度較接近，并且由1號和2號試樣焊縫熔深可以看出一定的關系，即熔深越大，附近鍍銅層的硬度則越低，如圖13所示。

2綜合分析

金相觀察結(jié)果表明，1Cr18Ni9Ti不銹鋼凸耳與電鑄鎳焊接位置附近的鍍銅層顯微組織發(fā)生了變化，由原來的具有方向性生長的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮牡容S晶，而未焊接位置仍為原始鍍層的柱狀晶組織；并且等軸晶組織的顯微硬度比柱狀晶組織的要低；同時還發(fā)現(xiàn)鍍銅層顯微硬度與電鑄鎳層焊縫熔深尺寸存在對應關系，即熔深越大，硬度越低。電鑄鎳層與鋯銅基體為異種金屬連接，兩種金屬導熱性能相差較大，焊接熱輸入過大時，熱影響區(qū)變寬，而且受焊縫空間位置限制［5］。眾所周知，銅的相變點（純銅的再結(jié)晶溫度為200～280℃）比鎳的相變點（純鎳的熔點為1400℃以上）要低，具有非常好的導熱性［6－7］。所以凸耳與電鑄鎳焊接時的熱傳導對其附近的鍍銅層顯微組織造成了影響［8］，進而使焊接區(qū)附近的鍍銅層顯微硬度降低，并且電鑄鎳層熔深越大，附近鍍銅層的顯微硬度則越低。綜合工況可知，1Cr18Ni9Ti不銹鋼凸耳與電鑄鎳為手工氬弧焊接，電流雖在工藝要求范圍內(nèi)，但是臺次間熱輸入散差理論上可能相對較大，有隨著電流增大產(chǎn)品出現(xiàn)連接異常的頻次增加的趨勢。因此，單從記錄可查的焊接電流這一項參數(shù)來看，電流越大，焊接熱輸入影響鍍銅層組織越嚴重，引起激光全息檢測連接異常的可能性也就越大。綜上所述，焊接熱傳導使鍍銅層的顯微組織與顯微硬度發(fā)生變化，從而影響了鍍銅層產(chǎn)生微觀變形差異，導致激光全息檢測連接異常。

3結(jié)論

（1）凸耳與電鑄鎳的焊接熱傳導使鍍銅層由原來的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮牡容S晶，導致顯微硬度比未焊接的原始鍍銅層的要低。在激光全息檢測時受焊接熱影響的鍍銅層與正常鍍銅層產(chǎn)生微觀變形差異，從而顯示為連接異常。（2）凸耳與電鑄鎳的焊接熔深尺寸與鍍銅層顯微硬度之間存在一定的相關性，即熔深越大，鍍銅層的硬度越低。

4建議

建議開展凸耳與電鑄鎳層焊接工藝的改進研究工作，進一步提高此焊縫結(jié)構(gòu)對焊接工藝能力的覆蓋裕度。為給發(fā)動機風險評估提供支撐，需開展一定的強度仿真、工藝試驗工作。同時，應對凸耳與電鑄鎳層的焊接熱輸入采取嚴格的控制措施。

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作者：淡婷 馬芳 李曉光 宋全 張國慶 張凈 單位：首都航天機械有限公司