[發明專利]一種航天推進劑儲箱焊縫部位激光沖擊強化裝置及方法

在審

• 申請號: 202110378402.5
• 申請日: 2021-04-08
• 公開（公告）號: CN113070577A
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 郭偉;戴為;張宏強;朱穎
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B23K26/356
• 分類號: B23K26/356;B23K26/24;B23K20/12
• 代理公司: 北京首捷專利代理有限公司 11873
• 代理人: 梁婧宇

本發明提供了一種航天推進劑儲箱焊縫部位激光沖擊強化裝置及方法，包括儲箱移動組件和激光沖擊強化組件；儲箱移動組件控制航天推進劑儲箱沿周向轉動；激光沖擊強化組件的激光聚焦頭移動結構上安裝激光聚焦頭，并控制激光聚焦頭沿固定路徑進行移動；激光傳播光路結構將激光器發射的平行激光束傳播至激光聚焦頭；激光聚焦頭聚焦后的激光束作用于航天推進劑儲箱的攪拌摩擦焊長焊縫及熔化焊環焊縫所在焊接區域進行沖擊強化。本發明根據攪拌摩擦焊及熔焊熱輸入特點，對不同的焊縫選擇不同尺寸的沖擊區域進行激光沖擊強化，增加焊縫軟化區材料內部位錯密度，提高接頭拉伸性能及可靠性，在焊縫區域產生參與壓應力場，提高航天推進劑儲箱整體的服役壽命。

技術領域

本發明涉及焊縫表面激光沖擊強化技術領域，具體涉及一種航天推進劑儲箱焊縫部位激光沖擊強化裝置及方法。

背景技術

推進劑儲箱在航天制造領域中應用非常廣泛，其主體結構為鋁合金圓柱罐體，通常先采用攪拌摩擦焊進行長直焊縫焊接，拼接出多節圓柱罐體后再采用熔化焊進行環焊縫焊接將其連接為一個整體。鋁合金焊接過程中在焊縫兩側一定寬度的區域內晶粒會發生粗化，同時彌散分布在母材中的強化相也會發生溶解和粗化，形成軟化區。軟化區通常為鋁合金焊接接頭中最薄弱的區域，硬度低且容易產生集中應變，嚴重降低接頭整體力學性能，為保證儲箱有足夠的強度，需要增加儲箱壁厚，導致儲箱輕量化設計難以實現，增大了發射及飛行成本。航空領域推進劑儲箱的回收利用已經成為各國的發展趨勢，單個航空推進劑儲箱可能需要執行多次發射飛行任務，因此對推進劑儲箱的疲勞性能提出了更高的要求。然而，在焊接過程中焊接區域會出現材料局部膨脹，并且在冷卻過程中受到剛性約束，焊接過后焊縫區域通常存在較大的殘余拉應力，在服役過程中受到疲勞載荷作用還容易萌發疲勞裂紋，產生疲勞破壞，嚴重降低了推進劑儲箱的可靠性和安全性能。因此，通過特殊的強化方法對推進劑儲箱焊縫進行強化，提高焊縫軟化區力學性能，改善焊縫區域的應力分布狀態從而提高推進劑儲箱整體的可靠性及服役壽命對未來航天領域的發展有重要意義。

現有較為常見的大型構件焊縫強化方法主要有超聲沖擊強化、噴丸強化及激光沖擊強化。超聲沖擊強化是利用超聲波帶動沖擊頭以極高的頻率快速沖擊工件表面并產生塑性變形，可細化近表面晶粒并獲得表面殘余壓應力，但會大幅度增大儲箱表面粗糙度，可能會誘導產生其他表面缺陷。噴丸技術是通過高壓氣體驅動硬質彈丸快速沖擊焊縫表面導致材料表面產生塑性變形，同樣可以有效細化強化區域的近表面晶粒，產生參與壓應力場，已廣泛應用于熔焊及攪拌摩擦焊接頭強化領域。但是由于噴丸技術所采用的彈丸直徑較小，通常需要建立獨立的噴丸工作房，設置噴丸過濾系統以防止空氣污染，工作環境惡劣；同時，噴丸強化也會使得強化表面粗糙度增大，影響構件的疲勞性能。

激光沖擊強化技術通過高功率密度激光束在帶強化部件表面產生等離子爆炸，產生爆炸沖擊波后向材料內部進行傳播，擠壓材料產生塑性變形。現有研究表明激光沖擊強化可有效細化沖擊表面的晶粒，提高材料的硬度及拉伸性能，并且在材料一定深度內部形成較大的殘余壓應力場，大幅提高材料疲勞性能。激光沖擊強化過程可控性好，相對于超聲沖擊強化及噴丸強化強化工藝更加穩定，作用深度更大，且工作環境較好，綠色環保。現有的激光沖擊強化設備大多僅適用于小型構件或結構較為簡單的平板構件，對于一些焊縫形式多樣、沖擊路徑復雜的工件通常還需要采用價格昂貴的柔性導光臂，且難以應用于尺寸較大的構件強化。航天推進劑儲箱尺寸多樣且存在攪拌摩擦焊長焊縫及熔化焊環焊縫，由于兩類焊縫所用焊接方法原理上完全不同，焊縫的軟化區位置和應力分布狀態差距較大，缺少一種科學合理的激光沖擊強化設備及配套的強化方法對儲箱焊接區域進行有效的強化。

因此，如何提供一種對航天推進劑儲箱攪拌摩擦焊長焊縫及熔化焊環焊縫的焊接區域進行有效強化的裝置及方法是本領域技術人員亟需解決的問題。

發明內容