大直径重型运载火箭燃料贮箱2219铝合金焊接接头组织调控与性能提高的研究

Here a new method of double pulse coupling variable polarity TIG welding has been proposed, for the inhomogeneity of structure and capability of the welded joints in the diameter of 9.5 meters of heavy fuel tank, which can significantly improve the quality and efficiency of welding through the precise control of heat input in the half-current band superimposed controllable pulse of the traditional variable polarity TIG, and the oscillation caused by the pulse function which makes the molten pool of metal. In the welding process of 2219 aluminum alloy, the increasing diameter of the tank has important influence on the microstructure, residual stress and deformation of the welded joints. The experiments, theoretical analysis and numerical simulation methods have been comprehensively considered, committed to the research of the law of the residual stress and deformation of welded joint on the microstructure and mechanical properties for the increasing tank diameter. Through the establishment of welding heat source model, the influence of the welding heat source on the organization performance, temperature field and stress field of the welded joints has been researched, and the effective prediction of welded structure before welding has been also realized. Here the influence of the repair-welding process on the organization, residual stress and deformation of welded joints has been studied. This project aims to achieve optimal joint organization and higher performance, reduce the deformation and residual stress, produce perfect welding manufacturing process repository, also establish theoretic and technical foundation for the future development of the successful launch of large diameter overloaded carrier rocket.

针对直径为9.5米重型运载火箭燃料贮箱的焊接接头组织、性能不均匀及应力变形等问题，提出一种双脉冲耦合变极性TIG焊接新方法，该焊接方法在传统变极性TIG焊机电流正半波段叠加可控的脉冲，利用其脉冲功能使熔池金属产生振荡，通过对热输入精量控制，显著提高焊接质量和效率。在2219铝合金焊接过程中，贮箱直径的增加对焊接接头组织性能、残余应力和变形等有重要影响，本项目综合利用工艺试验、理论分析、数值模拟研究方法，致力于研究贮箱直径的增加对焊接接头组织和性能、残余应力和变形的规律。通过建立焊接热源模型，探索焊接热源对焊接接头组织性能、温度场和应力场的影响，并实现焊前对焊接结构的有效预测。归纳补焊工艺对焊接接头组织、残余应力及变形的影响规律。本项目旨在实现优化接头组织，提高性能，减小变形及残余应力，生成完善焊接制造工艺资源库，为实现大直径重载运载火箭的成功发射奠定理论和技术基础。

航天飞行器燃料贮箱是航天火箭的重要组成部分，燃料贮箱担负着航天飞行器推进系统中储存和供给燃料的功能，因此燃料贮箱要求很高的性能。目前，我国贮箱材料的研究正处在2219铝铜合金阶段，然而由于2195铝锂合金具有更加优异的性能，已成为我国新一代航天飞行器燃料贮箱的备选材料。. 首先，本项目通过对2219铝合金航天火箭燃料贮箱上五条主要焊缝残余应力的测量与研究，较为全面的填补了2219铝合金燃料贮箱主要焊缝残余应力的“信息空白”。其次，研究了机器学习预测2219铝合金搅拌摩擦焊孔洞缺陷形成及其补焊的仿真。首次将机器学习的概念引入搅拌摩擦焊孔洞缺陷形成条件分析中，为以后的研究人员提供了新的研究思路。并通过对2219铝合金补焊过程中温度、残余应力和变形的研究，优化了补焊工艺，降低了补焊残余应力“积累效应”。另外，成功获得了无缺陷的2219/5A06异种铝合金焊接接头，并提出了一种测量电弧温度的方法-CCD摄像法。. 然而，相比于2219铝铜合金，2195铝锂合金不仅可以有效降低运载火箭燃料贮箱的质量，还能够极大地提高运载能力，因而可以获得显著的经济效益。而我国在2195铝锂合金贮箱结构材料的应用研究方面则相对落后。鉴于此，首先，本项目采用VPPA、VPTIG、EBW、FSW多种焊接方法和多种焊接工艺对不同板厚的熔炼型2195铝锂合金进行了焊接性研究。其次，由于喷射成形已成为先进铝合金的一种生产工艺，本项目开展了SD2195铝锂合金GTAW焊试验，获得了适用于SD2195 铝锂合金GTAW工艺的填充焊丝。最终，采用适配焊丝和优化后的焊接工艺，在国内首次成功研制了直径800mm、长度1880mm的燃料贮箱箱体焊接结构模拟件（包括6条纵焊缝、3条环焊缝和2条法兰环焊缝），全部焊缝通过了质量验证，证明了SD2195铝锂合金结构级产品集成制造的可行性，建立了从材料冷加工成形到结构件焊接等较为完整的制造工艺信息链。以上研究为2219铝铜合金及2195铝锂合金在航天飞行器燃料贮箱制造中的成功应用，奠定了坚实的理论和技术基础。