航天飞行器用压力容器壳体焊接

TB2钛合金是根据压力容器壳体的需求而研制的。压力容器要求材料达到如下性能：抗拉强度σ,=1177±98 MPa,δ5≥8%,焊接接头抗拉强度σ,≥1030 MPa,δ5≥5%.容器水压试验要求：压力升至95个大气压稳压1min,降至50个大气压，稳压3min后降至0,爆破压力大于125个大气压。合金的焊接性能研究结果表明，TB2合金在800℃,30min、WQ+焊接状态下，具有中等抗拉强度σ,=880MPa,高塑性δ5=17.5%,高弯曲角α=135°;而在焊后二次时效处理状态下的焊接接头抗拉强度σ,=1080 MPa,高塑性δ5=12.5%,弯曲角α=32°.完全满足压力容器技术指标的要求。
.1 压力容器壳体的焊接工艺
由于压力容器壳体的筒身较长，结合工厂生产TB2钛合金板材2.0mmx1000mmx2000mm的实际情况以及滚筒设备的能
力，将容器筒体分成两段，然后将两截圆筒对接（环缝）成整个筒体。在筒体两端各焊上带有嘴子（法兰）和裙框的椭球封头就组焊成了整体容器。该组焊容器上共有九条焊缝，充分考验了该合金的焊接性能。压力容器壳体组焊和焊后整体二次时效热处理及实际负载模拟试验工艺流程图见图4-19.从图上可以看到，组成容器的各零部件在焊接前的加工、成型和热处理都是不同的，焊接以后再进行整体热处理（二次时效），使整个容器达到设计指标性能的要求。

2 压力容器的分段焊接
压力容器的前后封头是用800℃,30min、WQ状态的2.0mm厚TB2合金板材冷冲压而成，再经热定型处理、加工、酸洗、清洗，供焊接用。直筒也是用800℃,30min、WQ状态的2.0mm厚TB2合金板材滚筒成型而成，经冷校形、酸洗、清洗，焊接纵缝，再冷校形、机加工直筒两端断面、酸洗、清洗，两个直筒对接焊环形焊缝成一个直筒。封头冷冲压成型（图4-20)和直筒滚筒及校形是充分利用该合金在固溶处理状态和固溶加焊接状态下具有良好综合性能，即TB2合金基体2.0mm厚板材，在800℃,30min、WQ状态下，具有中等抗拉强度σ,=925MPa,高塑性δ5=21.5%,高弯曲角α=150°;TB2合金在800℃,30 min、WQ+焊接状态下，具有中等抗拉强度σь=880 MPa,高塑性δs=17.5%,高弯曲角α=135°.

压力容器的前后法兰、前后初框都是TB2合金锻件，均采用700℃,60min、空冷热处理，机加工、清洗，供焊接用。
A 直筒纵缝和环缝（共3条）的焊接焊接设备有：GCP-500型悬臂式自动焊机，电源GA-500正极性，主电路串接变阻箱稳流，高频引弧，ф3.0mm钨铈电极，焊丝
为ф2.0mmTB2合金丝。
纵缝焊接使用气动夹具压紧，下有通氩气保护和成型槽的紫铜板，焊接尾拖罩也是铜制水冷式的。为了较少筒子纵缝轴向变形，焊前在筒子两端各点焊上200mm长的工艺圈，同时作为引弧和收弧板。
环缝焊接夹具为三瓣式水冷紫铜环，铜环上带有成形通气保护槽，利用螺杆和斜面机构在筒内撑开。筒子夹持在车床式焊接回转装置上，焊时自动转动，收弧时人工衰减电流（衰减时间10~15s)并停止送丝。表4-8为壁厚1.85~2.04mm筒壁和封头环缝焊接时的工艺参数。 

B 封头上大、小法兰（嘴子）的焊接
将冷冲压封头经过热定型处理、机加工、酸洗和清洗与热处理后机加工好的法兰进行用手工氩弧焊焊接，电源为Ax1-165,主电路串接变阻箱，φ2.0mm钨极，焊丝为ф2.0mmTB2合金丝。夹具也是水冷反面通氩气保护铜成型槽式，用螺栓固定，在手摇转台上转动，焊枪基本不动。正面焊缝跟托罩保护，焊接参数：电流110~120A,平均焊速12~13m/h,氩气流量：焊枪13L/min,拖罩25~30L/min,反面10~15L/min,收弧时人工衰减电流。由于对口间隙变动和规范控制较差，焊后易出现未焊透且气孔较多。未焊透处在反面补焊。
C裙框和封头的焊接
由于这两条环缝是在封头直线段和曲线交界处，受力复杂，为了不破坏封头的受力性能，所以要求焊缝在封头上的熔深小于壁厚的1/2,故采用手工氩弧焊焊接。设备与上述B相同，夹具和保护系统如图4-21所示。焊接时工装手摇转动，不加焊丝，电弧偏向裙框一侧，用小电流快速焊接。在焊到2/3圈至焊完后，常听到焊件有脆裂声发出。当改变焊接规范（电流70~90A,平均焊速8~15m/h)和添加焊丝（φ2.0mmTB2合金丝）焊接，或将环缝分
成四段对称焊，都避免不了响声问题。其原因是由于装配和焊接应力引起了裙框和封头贴在一起，而没有焊着的金属发生移动摩擦而发出的响声。因为封头相对于裙框的刚度是较小的。它在焊前的热处理和焊接法兰以后，变形已经很严重了，裙框和封头组焊时是强迫装配在一起的，所以焊上裙框以后对封头起到了校形的作用，但焊接处的应力增大了。表4-9为三个封头在焊上裙框前后最大椭圆度的测量结果。

3 压力容器的热处理
共组焊了五台全尺寸的压力容器（图4-22),为了最终热处理工艺，用筒体进行对比，其中一台（4号）焊后不热处理，即焊接状态；一台（9号）在焊前对壳体承压部分先进行二次时效热处理，三条组焊的环缝不再时效处理；另外三台（2、3和5号），采用整体二次时效热处理，其热处理制度是：500℃保温8h,随炉升温至620℃保温30min,出炉在保护筒内冷却、保护筒（通氩气）空冷。

为了减少时效后清除氧化皮的困难，压力容器壳体是在不锈钢制成的流动氩气保护筒内进行的二次时效的，见图4-23.保护筒外形尺寸为Φ400mmx1500mmx2mm,流动氩气设计要
求保护系统内没有“死区”，压气流量要根据入炉、出炉和升温时的不同情况作相应的调节。保护筒入炉前预通气1~2h(流量

10-151/min),保温时各4~51/min,出炉后继续通氢（流量各8-15/min)降至200℃以下停氩气。压力容器装入保护筒内之前容器表面油污一定要清洗干净。
上述方法保护效果良好，经保护筒保护的二次时效的压力容器壳体内部基本没有氧化色彩，外部有微淡黄色和淡蓝色彩，只需轻微酸洗就可以去除，保证了容器的表面质量。
4压力容器壳体试验
对五台压力容器壳体按技术要求进行了水压试验，其结果分述如下：
（1)4号（组焊后未时效）压力容器壳体，压力达65大气压时，在筒体距纵缝70~80mm处穿过中间的环缝纵向破裂（裂口平行于纵缝，达到两端的环缝）。低压破坏的原因是：筒体为800℃,30 min,WQ状态下，在滚筒压边弯曲较严重，存在弯曲变形应力，冷变形组织未消除；环缝焊接应力未消除。
（2)9号是“分段时效”状态（三条环缝未时效）压力容器壳体，压力达75大气压时容器破坏，破裂部位和形式与4号相同。低压破坏的原因是三条环缝焊接应力未消除。
（3)5号壳体，是整体二次时效热处理的压力容器壳体，压力达72大气压时爆破，大法兰连同整个封头冲出，法兰和封头的焊缝沿法兰一侧裂开。低压破坏的原因是该大法兰晶粒粗大，塑性很低，不符合使用要求。
（4)2号、3号压力容器壳体也是焊后整体二次时效热处理的，按正式产品技术条件要求通过了水压试验，压力升至140大气压未破坏。说明材料性能合格，用焊后二次时效热处理制度是合理的，能使TB2合金试制的薄壁压力容器壳体达到产品设计承压性能的要求。也充分说明二次时效热处理有消除或部分消除焊接应力的作用，同时强化了基体和焊缝，使TB2压力容器壳体满足使用要求。
5实际负载模拟试验
半年以后，对2号、3号压力容器壳体重新进行水压试验，都顺利通过了，然后进行实际负载模拟试验，2号因热试车密封结构有问题没试成，3号TB2压力容器壳体的热试车全部技术数据均达到了设计性能指标要求。

为此，全面完成了压力容器壳体的试制任务。

亿沐鑫公司产品分类：钛棒、钛管、钛板、钛阳极、钛箔钛带、钛法兰、钛丝、钛靶材、钛设备、钛饼钛环、钛标准件、钛加工件