推進劑貯箱箱底密封外焊罩結構設計及焊接熱效應實驗研究

冷 月，盧松濤，肖士利，張曙輝，李 吉

（北京宇航系統工程研究所，北京 100076）

0 引言

運載火箭使用的推進劑主要是硝基氧化劑和肼類燃料，其具有強烈的腐蝕性和易燃、易爆、易揮發性及毒性[1]，一旦發生爆炸或推進劑泄漏事故，有毒推進劑的逸散會對人員安全和環境造成巨大危害，甚至影響航天任務的成敗[2]。我國航天發射試驗中曾發生過多起由于推進劑泄漏引起的事故[3]。目前，對于推進劑穩定可靠貯存的要求越來越高[4]，對貯存系統中貯箱、氣瓶、管路和閥門等部件提出了嚴格的漏率要求。密封是防止和處理泄漏最常用的方法[3]。新一代運載火箭對密封材料及結構提出了新的挑戰[5]，如耐溫范圍要求達到80～600 K，超低溫下密封漏率要求更低，而常規型號運載火箭所使用的橡膠密封圈[6]、金屬密封圈[7]等密封結構很難同時滿足這些條件[8]。

為提高航天工程中密封系統的密封安全可靠性，本文提出一種用于運載火箭推進劑貯箱箱底傳感器及閥門管路的密封外焊罩結構，對傳感器及閥門管路與貯箱箱底法蘭的密封面實現備保密封。不同于閥門管路等結構類產品，傳感器內部有導線、焊點、橡膠圈、環氧膠等熱敏感元件，對于焊接產生的熱效應承受能力較低。因此需要研究焊接工藝對焊接熱效應的影響，從而通過調整工藝參數實現對焊接熱的控制。目前焊接工藝對焊接熱效應影響的研究大多是旨在降低焊接殘余應力及結構變形等的力學性能理論或仿真研究[9-10]，而通過焊接工藝實驗控制焊接結構件溫度的研究較少。因此，本文針對箱底傳感器對于外焊罩焊接熱效應承受能力較低的風險，開展外焊罩焊接熱效應摸底實驗，制定焊接過程的散熱方案，確定焊接時間、焊接時間間隔等工藝參數，以期為后續傳感器外焊罩箭上焊接提供技術支持。

1 密封外焊罩結構設計

安裝于運載火箭推進劑貯箱箱底的部件包括測量推進劑液位的傳感器、加注閥門及相應管路等。為增強密封可靠性、降低密封漏率，傳感器及閥門管路與貯箱箱底法蘭通過密封圈密封后，需要在密封面外焊接環形外焊罩，實現備保密封。外焊罩的結構形式見圖1，外焊罩一側與安裝于貯箱箱底的傳感器或閥門管路焊接，另一側與貯箱法蘭焊接。傳感器及閥門管路采用不銹鋼材料，貯箱采用鋁合金材料。為了提高焊接質量、降低焊接難度，應采用同種金屬焊接，因此外焊罩與以上2 種金屬材料焊接的對應部位須采用對應的金屬材料制成。外焊罩由不銹鋼和鋁合金異種金屬通過攪拌摩擦焊焊接而成。

圖1 密封外焊罩結構Fig.1 Structure of the sealed outer welding cover

2 焊接熱效應實驗系統的建立

為摸清密封外焊罩焊接工藝對傳感器的影響，開展焊接熱效應實驗。實驗系統由箱底傳感器樣機、貯箱法蘭模擬件、外焊罩、焊接工裝及溫度采集系統等組成，如圖2 所示。實驗室內環境溫度為18 ℃左右。

圖2 外焊罩焊接熱效應實驗系統Fig.2 Test system of welding thermal effect for the outer welding cover

根據傳感器上敏感元件及關鍵電路的位置，在傳感器樣機上設置20 個溫度測點，測點分布見圖3。其中，測點1～5 分布在傳感器上蓋上，測點6～14分布在傳感器導管組件上，測點15～20 分布在傳感器導管內的印制電路板上。

圖3 傳感器樣機溫度測點分布Fig.3 Temperature measurement points distribution on the sensor prototype

3 實驗過程

為減小外焊罩焊接熱對傳感器的影響，采用分段焊接及分段散熱的工藝方法。焊接過程中，全程實時監測傳感器上測點溫度變化情況，從而確定適當的焊接時間、散熱時間等。傳感器密封外焊罩焊接熱效應實驗過程如下：

1）傳感器樣機、貯箱法蘭模擬件、外焊罩與焊接工裝安裝，用彈簧卡鉗將外焊罩與貯箱法蘭模擬件夾緊定位，見圖4。

圖4 外焊罩與貯箱法蘭模擬件焊接前夾緊定位Fig.4 Clamping and positioning of simulated outer welding cover and tank flange before welding

2）為防止外焊罩與貯箱法蘭模擬件發生相對錯動，正式焊接前，先在外焊罩與貯箱法蘭模擬件對接面上點焊8 個定位點，焊接定位點前溫度采集設備即開始工作，見圖5。

圖5 外焊罩與貯箱法蘭模擬件定位焊接Fig.5 Tack welding between simulated outer welding cover and tank flange

3）8 個定位點將外焊罩與貯箱法蘭模擬件對接面焊接環縫均分為8 段后，采用不填絲的熔焊氬弧焊逐段焊接。每段焊接完成后，采用低壓氣源對焊接部位進行通風散熱，待測點溫度不再上升后，再開展下一段的焊接操作。由起初幾段焊接過程的溫度測點數據發現焊接帶來的加熱效應并不嚴酷，因此后續焊接過程中逐步縮短每段的散熱時間，最后3 段焊接操作之間未通風散熱，合并至所有焊接完成后再進行通風散熱。焊接及散熱時間見表1 所示。外焊罩與貯箱法蘭模擬件正式焊接完成后的情況見圖6。

表1 外焊罩與貯箱法蘭模擬件焊接及散熱時間Table 1 Welding time and heat dissipation time of simulated outer welding cover and storage tank flange

圖6 外焊罩與貯箱法蘭模擬件正式焊接完成Fig.6 Finished welding between simulated outer welding cover and tank flange

4）同樣，為防止外焊罩與傳感器樣機發生相對錯動，外焊罩與傳感器樣機正式焊接前，在對接面上點焊7 個定位點，焊接定位點前溫度采集設備即開始工作，見圖7。

圖7 外焊罩與傳感器樣機定位焊接Fig.7 Positioning welding between outer welding cover and sensor prototype

5）7 個定位點將外焊罩與傳感器樣機對接面焊接環縫分為7 段后，采用不填絲的熔焊氬弧焊逐段焊接。每段焊接完成后，采用低壓氣源對焊接部位進行通風散熱，待測點溫度不再上升后，再開展下一段的焊接操作。由于焊接造成的加熱效應并不嚴酷，焊接完成后未進行長時間通風散熱。焊接及散熱時間見表2 所示。外焊罩與傳感器樣機正式焊接完成后的情況見圖8。

表2 外焊罩與傳感器樣機焊接及散熱時間Table 2 Welding time and heat dissipation time of outer welding cover and sensor prototype

圖8 外焊罩與傳感器樣機正式焊接完成Fig.8 Finished welding of outer welding cover and sensor prototype

4 實驗結果及分析

4.1 外焊罩與貯箱法蘭模擬件定位焊接

外焊罩與貯箱法蘭模擬件定位焊接時，測點6、7、8、9、15、16 靠近焊接熱影響區域，溫度變化明顯，需關注（其他測點溫度變化不明顯，不再分析）。其中測點6、7、8、9 位于傳感器法蘭上，測點15、16 位于傳感器導管內的印制電路板上。各測點溫度隨時間變化曲線見圖9，測溫時間步長為1.5 s，下同?？梢钥吹剑汉附舆^程中，各測點都有一定的溫升，最高溫度均在31 ℃以下，最大溫升不超過10 ℃；由于距焊接位置較遠且自身比熱容較高等原因，位于印制板上的測點15、16 的溫升相對較小，較傳感器法蘭上測點的溫升小50%左右。

圖9 外焊罩與貯箱定位焊接溫度變化曲線Fig.9 Temperature variations of measurement points during positioning welding between outer welding cover and storage tank flange

4.2 外焊罩與貯箱法蘭模擬件正式焊接

外焊罩與貯箱法蘭模擬件正式焊接時，測點6、7、8、9、15、16 的溫度隨時間變化曲線見圖10?？梢钥吹剑汉附舆^程中，各測點都有一定的溫升，最高溫度均在60 ℃以下，最大溫升不超過30 ℃；焊接完成后經長時間通風散熱，測點溫度明顯下降；安裝在印制板上的測點15、16 的溫升相對較小，溫度變化曲線更為平滑，溫升比較連續，與傳感器法蘭上測點間的差距已不明顯。

圖10 外焊罩與貯箱正式焊接溫度變化曲線Fig.10 Temperature variations of measurement points during formal welding beteen outer welding cover and tank flange

4.3 外焊罩與傳感器樣機定位焊接

外焊罩與傳感器樣機定位焊接時，測點1、3、4、5、15、16 靠近焊接熱影響區域，溫度變化明顯，需關注（其他測點溫度變化不明顯，不再分析）。其中測點1、3、4、5 位于傳感器法蘭上，測點15、16位于傳感器導管內的印制電路板上。各測點溫度隨時間變化曲線見圖11?？梢钥吹剑汉附舆^程中，各測點都有一定的溫升，最高溫度均在45 ℃以下，最大溫升不超過15 ℃；安裝在印制板上的測點15、16的溫度先下降后上升，這是因為印制板為非金屬材料，對外界溫度變化反應較金屬遲鈍，剛開始的溫度下降是由上一階段焊接工作完成后通風散熱造成的。

圖11 外焊罩與傳感器樣機定位焊接溫度變化曲線Fig.11 Temperature variations of measurement points during positioning welding between outer welding cover and sensor prototype

4.4 外焊罩與傳感器樣機正式焊接

外焊罩與傳感器樣機正式焊接時，測點1、3、4、5、15、16 的溫度隨時間變化曲線見圖12?？梢钥吹剑汉附舆^程中，各測點都有一定的溫升，最高溫度均在61 ℃以下，最大溫升不超過25 ℃；由于焊接完成后沒有進行長時間通風散熱，所以測點溫度未大幅度下降；安裝在印制板上的測點15、16 的溫升相對較小，溫度變化曲線更為平滑，溫升比較連續，與傳感器法蘭上測點溫度最大相差15 ℃，最高溫度較外焊罩與貯箱法蘭模擬件焊接時低6 ℃。

圖12 外焊罩與傳感器樣機正式焊接溫度變化曲線Fig.12 Temperature variations of measurement points during formal welding between external welding cover and sensor prototype

5 結論

本文提出一種用于運載火箭推進劑貯箱箱底傳感器及閥門管路的密封外焊罩結構，對傳感器及閥門管路與貯箱箱底法蘭密封面實現備保密封。并針對箱底傳感器對于外焊罩焊接熱效應承受能力較低的風險，開展了外焊罩焊接熱效應摸底實驗，獲得以下結論：

1）分段焊接及焊接間隔中利用低壓氣源通風散熱的焊接工藝能夠有效控制傳感器的溫升。外焊罩焊接過程中，傳感器上所有測點最高溫度為60.83 ℃，遠低于傳感器熱敏感元件所能承受的的最高溫度（120 ℃）要求，不會對傳感器電器元件的正常工作造成影響。

2）焊接時間越短、散熱時間越長，焊接件的溫升越小。因此，適當增加正式焊接前定位焊接點數量，可以有效地縮短每段焊接時間，從而降低焊接熱影響區溫度。

3）距離焊接區越遠，焊接熱效應影響越小。因此，適當將敏感元器件遠離焊接熱影響區，在敏感元件與焊接區之間增加絕熱或隔熱組件，均能有效隔絕熱傳導，降低元器件溫度。

本研究實驗所選用的焊接工藝參數及焊接方法可為同類型箱底傳感器外焊罩焊接提供依據，為后續涉及電子元器件的焊接工序提供技術支撐及質量保障。