[发明专利]一种航天推进剂储箱焊缝部位激光冲击强化装置及方法

说明书

本发明提供了一种航天推进剂储箱焊缝部位激光冲击强化装置及方法，包括储箱移动组件和激光冲击强化组件；储箱移动组件控制航天推进剂储箱沿周向转动；激光冲击强化组件的激光聚焦头移动结构上安装激光聚焦头，并控制激光聚焦头沿固定路径进行移动；激光传播光路结构将激光器发射的平行激光束传播至激光聚焦头；激光聚焦头聚焦后的激光束作用于航天推进剂储箱的搅拌摩擦焊长焊缝及熔化焊环焊缝所在焊接区域进行冲击强化。本发明根据搅拌摩擦焊及熔焊热输入特点，对不同的焊缝选择不同尺寸的冲击区域进行激光冲击强化，增加焊缝软化区材料内部位错密度，提高接头拉伸性能及可靠性，在焊缝区域产生参与压应力场，提高航天推进剂储箱整体的服役寿命。

技术领域

本发明涉及焊缝表面激光冲击强化技术领域，具体涉及一种航天推进剂储箱焊缝部位激光冲击强化装置及方法。

背景技术

推进剂储箱在航天制造领域中应用非常广泛，其主体结构为铝合金圆柱罐体，通常先采用搅拌摩擦焊进行长直焊缝焊接，拼接出多节圆柱罐体后再采用熔化焊进行环焊缝焊接将其连接为一个整体。铝合金焊接过程中在焊缝两侧一定宽度的区域内晶粒会发生粗化，同时弥散分布在母材中的强化相也会发生溶解和粗化，形成软化区。软化区通常为铝合金焊接接头中最薄弱的区域，硬度低且容易产生集中应变，严重降低接头整体力学性能，为保证储箱有足够的强度，需要增加储箱壁厚，导致储箱轻量化设计难以实现，增大了发射及飞行成本。航空领域推进剂储箱的回收利用已经成为各国的发展趋势，单个航空推进剂储箱可能需要执行多次发射飞行任务，因此对推进剂储箱的疲劳性能提出了更高的要求。然而，在焊接过程中焊接区域会出现材料局部膨胀，并且在冷却过程中受到刚性约束，焊接过后焊缝区域通常存在较大的残余拉应力，在服役过程中受到疲劳载荷作用还容易萌发疲劳裂纹，产生疲劳破坏，严重降低了推进剂储箱的可靠性和安全性能。因此，通过特殊的强化方法对推进剂储箱焊缝进行强化，提高焊缝软化区力学性能，改善焊缝区域的应力分布状态从而提高推进剂储箱整体的可靠性及服役寿命对未来航天领域的发展有重要意义。

现有较为常见的大型构件焊缝强化方法主要有超声冲击强化、喷丸强化及激光冲击强化。超声冲击强化是利用超声波带动冲击头以极高的频率快速冲击工件表面并产生塑性变形，可细化近表面晶粒并获得表面残余压应力，但会大幅度增大储箱表面粗糙度，可能会诱导产生其他表面缺陷。喷丸技术是通过高压气体驱动硬质弹丸快速冲击焊缝表面导致材料表面产生塑性变形，同样可以有效细化强化区域的近表面晶粒，产生参与压应力场，已广泛应用于熔焊及搅拌摩擦焊接头强化领域。但是由于喷丸技术所采用的弹丸直径较小，通常需要建立独立的喷丸工作房，设置喷丸过滤系统以防止空气污染，工作环境恶劣；同时，喷丸强化也会使得强化表面粗糙度增大，影响构件的疲劳性能。

激光冲击强化技术通过高功率密度激光束在带强化部件表面产生等离子爆炸，产生爆炸冲击波后向材料内部进行传播，挤压材料产生塑性变形。现有研究表明激光冲击强化可有效细化冲击表面的晶粒，提高材料的硬度及拉伸性能，并且在材料一定深度内部形成较大的残余压应力场，大幅提高材料疲劳性能。激光冲击强化过程可控性好，相对于超声冲击强化及喷丸强化强化工艺更加稳定，作用深度更大，且工作环境较好，绿色环保。现有的激光冲击强化设备大多仅适用于小型构件或结构较为简单的平板构件，对于一些焊缝形式多样、冲击路径复杂的工件通常还需要采用价格昂贵的柔性导光臂，且难以应用于尺寸较大的构件强化。航天推进剂储箱尺寸多样且存在搅拌摩擦焊长焊缝及熔化焊环焊缝，由于两类焊缝所用焊接方法原理上完全不同，焊缝的软化区位置和应力分布状态差距较大，缺少一种科学合理的激光冲击强化设备及配套的强化方法对储箱焊接区域进行有效的强化。

因此，如何提供一种对航天推进剂储箱搅拌摩擦焊长焊缝及熔化焊环焊缝的焊接区域进行有效强化的装置及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容