一种推力室端部的封焊方法及火箭发动机推力室

摘要

本发明提供一种推力室端部的封焊方法及火箭发动机推力室。封焊方法包括：提供不锈钢外壁、铜合金内壁与端盖，对不锈钢外壁、铜合金内壁与所述端盖，进行预连接处理,将不锈钢外壁设置位于铜合金内壁的外侧，使不锈钢外壁和铜合金内壁两端的端面齐平；预连接处理之后，包含：在不锈钢外壁外侧开设第一斜对接坡口，在端盖的外侧设有第一切口；在铜合金内壁内侧开设第二斜对接坡口，在端盖内侧设有第二切口；在贴紧的不锈钢外壁和铜合金内壁的端面上开槽；将端盖放置在端面上，将端盖与不锈钢外壁和铜合金内壁焊接连接；分别沿第一斜对接坡口和与第一切口及第二斜对接坡口和第二切口进行焊接，完成不锈钢外壁、铜合金内壁与端盖的焊接。具有工艺简单，设计合理，密封严紧。

说明书

技术领域

本发明涉及航天器发动机技术领域，特别涉及一种推力室端部的封焊方法及火箭发动机推力室。

背景技术

航天器发动机技术随着航天产业的发展得到了快速升级。作为发动机的主要部件，推力室是完成推进剂能量转化和产生推力作用的关键部件。其中，推力室身部是航天器发动机中负责将燃料进行混合燃烧，产生高温高压燃气，进而燃气通过喉部加速排出，获得反推力的部件。推力室的身部为拉瓦尔型面结构，通常可以采用再生冷却技术对推力室进行降温。推力室由铣槽内壁和外壁组成，多条冷却通道位于铣槽内壁和外壁之间。通常情况下，燃气温度高达3500K，壁面热交换功率可到达百兆瓦，需要承受20MPa的压力，因此，推力室身部的内壁材料多选用铜合金。将铜内壁与钢或其他材料外壁连接起来的是重要的工艺，其中很重要的一个需求就是将内壁端面与外壁的端面进行封焊，从而营造出密闭的空间进行后续工序，封焊的密封性直接影响后续的工序成败。

发明内容

本发明的目的是提供一种推力室端部的封焊方法及火箭发动机推力室，具有工艺简单，设计合理，密封严紧等优点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种推力室端部的封焊方法，

提供不锈钢外壁、铜合金内壁与端盖，对所述不锈钢外壁、所述铜合金内壁与所述端盖，进行预连接处理,包含:

将所述不锈钢外壁设置位于所述铜合金内壁的外侧，且两者相互紧贴，且使所述不锈钢外壁和所述铜合金内壁两端的端面齐平；

预连接处理之后，具体包含：

在不锈钢外壁外侧沿周向方向开设第一斜对接坡口，在所述端盖的外侧设有配合第一斜对接坡口的第一切口；

在所述铜合金内壁内侧沿周向方向开设第二斜对接坡口，在所述端盖内侧设有配合第二斜对接坡口的第二切口；

在相互贴紧的所述不锈钢外壁和铜合金内壁的端面上沿周向方向进行开槽；

将端盖放置在所述端面上，沿所述开槽将所述端盖与所述不锈钢外壁和所述铜合金内壁焊接连接；

分别沿第一斜对接坡口和与其配合的第一切口及第二斜对接坡口和与其配合的第二切口进行焊接，完成不锈钢外壁、所述铜合金内壁与所述端盖的焊接。

进一步的，所述第一斜对接坡口与所述不锈钢外壁的轴线夹角为A,且满足15°≤A≤75°。

进一步的，沿所述不锈钢外壁的轴线方向相截，所述第一斜对接坡口与所述第一切口组成的外形为C型结构，且C型结构的切口向远离所述铜合金内壁一侧。

进一步的，所述第二斜对接坡口与所述铜合金内壁的轴线夹角为B,且满足15°≤B≤75°。

进一步的，所述第二斜对接坡口与所述第二切口相互平行，且从所述不锈钢外壁向所述铜内壁的方向上，所述第二斜对接坡口倾斜地向所述端盖一侧延伸。

。

进一步的，所述第一斜对接坡口沿第一方向的长度为H,2mm≤H≤11mm。

进一步的，所述第二斜对接坡口沿第二方向的长度为E,2mm≤E≤11mm。

进一步的，所述第一斜对接坡口和所述第一切口焊接前，对所述不锈钢外壁与所述端盖预热处理。

进一步的，完成所述不锈钢外壁、所述铜合金内壁与所述端盖的焊接之后，包括：

对所述不锈钢外壁与所述铜合金内壁之间的空腔进行高压充气，检测空腔的密封性能。

进一步的，完成所述不锈钢外壁、所述铜合金内壁与所述端盖高压充气检测后，还包含：对各焊缝处进行削平处理。

本发明的另一个方面提供了一种火箭发动机推力室，采用如上所述的推力室端部的封焊方法制备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过将端盖放置在所述端面上，沿所述开槽将所述端盖与所述不锈钢外壁和所述铜合金内壁焊接连接，开槽的设计，可以使得不锈钢外壁和所述铜合金内壁连接更加紧密，固定更加牢固。同时通过端盖将不锈钢外壁和所述铜合金内壁端面外露的缝隙进行密封，避免外部气体进入不锈钢外壁和所述铜合金内壁之间的缝隙处，提高密封效果。通过分别沿第一斜对接坡口和与其配合的第一切口及第二斜对接坡口和与其配合的第二切口进行焊接，使得所述端盖的内外侧表面与不锈钢外壁和所述铜合金内壁进行焊接，完成二次密封。整个方法具有工艺简单，设计合理，密封严紧等优点。

附图说明

附图1为本发明火箭发动机推力室部件的示意图；

附图2为本发明不锈钢外壁，铜合金内壁和端盖的结构示意图；

附图3为本发明不锈钢外壁，铜合金内壁和开槽的结构示意图；

附图4为本发明不锈钢外壁，铜合金内壁和端盖沿轴线相切的结构简图；

附图5为本发明第一斜对接坡口与不锈钢外壁的轴线夹角、第二斜对接坡口与铜合金内壁的轴线夹角、第一斜对接坡口沿第一方向的长度和第二斜对接坡口沿第二方向的长度的结构示意简图；

附图6为本发明开槽的俯视图；

附图7为本发明推力室端部的封焊方法的工艺流程图。

附图标记说明：

1不锈钢外壁 2铜合金内壁

3端盖 4第一斜对接坡口

5第一切口 6第二斜对接坡口

7第二切口 8开槽

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

本发明的实施例提供了一种推力室端部的封焊方法，如图1、图2、图3、图4、图6和图7所示，提供不锈钢外壁1、铜合金内壁2与端盖3，对不锈钢外壁1、铜合金内壁2与端盖3，进行预连接处理,包含:

A1：将不锈钢外壁1设置位于铜合金内壁2的外侧，且两者相互紧贴，且使不锈钢外壁1和铜合金内壁2两端的端面齐平；

预连接处理之后，具体包含：

A2：在不锈钢外壁1外侧沿周向方向开设第一斜对接坡口4，在端盖3的外侧设有配合第一斜对接坡口4的第一切口5；

A3：在铜合金内壁2内侧沿周向方向开设第二斜对接坡口6，在端盖3内侧设有配合第二斜对接坡口6的第二切口7；

A4：在相互贴紧的不锈钢外壁1和铜合金内壁2的端面上沿周向方向进行开槽8；

A5：将端盖3放置在端面上，沿开槽8将端盖3与不锈钢外壁1和铜合金内壁2焊接连接；

A6：分别沿第一斜对接坡口4和与其配合的第一切口5及第二斜对接6坡口和与其配合的第二切口7进行焊接，完成不锈钢外壁1、铜合金内壁2与端盖3的焊接。

具体的说，通过将端盖3放置在端面上，沿开槽8将端盖3与不锈钢外壁1和铜合金内壁2焊接连接，开槽的设计，可以使得不锈钢外壁1和铜合金内壁2连接更加紧密，固定更加牢固。同时通过端盖3将不锈钢外壁1和铜合金内壁2端面外露的缝隙进行密封，避免外部气体进入不锈钢外壁1和铜合金内壁2之间的缝隙处，提高密封效果。通过分别沿第一斜对接坡口4和与其配合的第一切口5及第二斜对接坡口6和与其配合的第二切口7进行焊接，使得端盖3的内外侧表面与不锈钢外壁1和铜合金内壁2进行焊接，完成二次密封，使得密封更加严谨。整个方法具有工艺简单，设计合理，密封严紧等优点。

值得一提的是，将不锈钢外壁1设置位于铜合金内壁2的外侧，且两者相互紧贴，且使不锈钢外壁1和铜合金内壁2两端的端面齐平之后，还包含将端盖3设置在所述端面上，可以使得端盖3与端面贴紧(需要端盖3与端面接触的表面平整、光滑，且内外壁形成的端面与端盖配合的各表面位于同一平面上)，保证端盖3与端面紧贴过程中，减少两者之间的间隙，进而减少杂质或者气体对端盖3与端面焊接干扰，提高焊接精度，方便后续端盖3与端面的焊接，提高端部密封性。在预连接处理之后，步骤A2之前，需要取下端盖3，使得端面外露。

在实际应用过程中，为了提高效率，例如，可以通过两台切割机械同时完成第一斜对接坡口4和第二斜对接坡口6的切割。同理，对端盖上第一切口5和第二切口7、开槽8可以分别由不同切割机进行同时切割，减少切割时间，后续切割后的各部件可以进行组合焊接，提高整个焊接的工作效率。

需要说明的是，经过多次仿真实验，当第一斜对接坡口4与不锈钢外壁1的轴线夹角为A,且满足15°≤A≤75°；第二斜对接坡口6与铜合金内壁1的轴线夹角为B,且满足15°≤B≤75°。通过调整对接坡口与内外壁的夹角，使得端盖3的内外侧表面与不锈钢外壁1和铜合金内壁2进行焊接时，便于端盖3与不锈钢外壁1和铜合金内壁2的紧密结合，可以完成二次密封，进一步避免外部气体进入不锈钢外壁1和铜合金内壁2之间的缝隙处，改善密封效果。

在本实施例中，为了方便焊接，例如，沿不锈钢外壁1的轴线方向相截，第一斜对接坡口4与第一切口5组成的外形为C型结构，且C型结构的切口向远离铜合金内壁2一侧。采用激光焊接时，由于C型结构的设计，不仅增加第一斜对接坡口4与第一切口5焊接面积，而且方便焊接材质附着在C型结构表面，使得端盖3与不锈钢外壁1连接更加紧密，固定更加牢固。

在焊接铜合金内壁2时，为了保证焊接牢固，例如，可以采用激光焊接。为了方便激光焊头的使用，同时方便焊接材质将第二斜对接坡口6与第二切口7密封，例如，第二斜对接坡口6与第二切口7相互平行，从不锈钢外壁1向铜内壁2的方向上，且第二斜对接坡口6外侧端倾斜地向端盖3一侧延伸。此设计方便连接第二斜对接坡口6与第二切口7的焊接材质高效利用，减少焊接材质从第二斜对接坡口6与第二切口7之间的缝隙处外流，在避免最终产品引入焊接杂质的同时，提高焊接材质对铜合金内壁2与端盖3的固定强度，确保产品性能。在本工艺中，通过端盖与内外壁斜角度地焊接，使得激光焊头可以通过斜射地方式进行焊接，可以减少激光焊头占用端盖3或者铜合金内壁2的空间，进而解决了小尺寸的端盖3焊接时激光焊头无法进入其内侧进行焊接的技术难点。

另外，如图4和图5所示，当第一斜对接坡口4沿第一方向(S1箭头指向方向)的长度为H,2mm≤H≤11mm时，第二斜对接坡口6沿第二方向(S2箭头指向方向)的长度为E,2mm≤E≤11mm时，方便端盖3的内外侧表面与不锈钢外壁1和铜合金内壁2进行焊接，同时可以使得端盖3与不锈钢外壁1和铜合金内壁2连接更加紧密，固定更加牢固，有利于密封。

在实施方式中，为了使得不锈钢外壁1与端盖3焊接更加牢固，在第一斜对接坡口4和第一切口5焊接前，对不锈钢外壁1与端盖3预热处理。通过对不锈钢外壁1与端盖3预热处理(例如，通过加热风机将不锈钢外壁1与端盖3的温度升至100°)，可以保证在高温焊接时，不锈钢外壁1与端盖3通过焊接材质的快速连接，提高二者的焊接质量，改善不锈钢外壁1与端盖3之间的密封性。

为了及时验证不锈钢外壁1与铜合金内壁2的密封性，例如，在完成不锈钢外壁1、铜合金内壁2与端盖3的焊接之后，包括：对不锈钢外壁1与铜合金内壁2之间的间隙进行高压充气，检测不锈钢外壁1、铜合金内壁2与端盖3密封性能(主要检测高压气体是否从端盖3与锈钢外壁1和铜合金内壁2焊缝泄露)，当检测到的气体泄露大于阈值时，可以进行激光或手工补焊。

进一步的，完成不锈钢外壁1、铜合金内壁2与端盖3高压充气检测后，在不影响原有效果的同时，为了减少推力室组件的重量，可以对各焊缝处进行削平处理。

为了获取最终的推力室身部结构，将利用推力室端部的封焊方法将端盖3与内、外壁连接，使得锈钢外壁1、铜合金内壁2之间构成一个密闭空间；

通过焊接在锈钢外壁1的导气管对密闭空间抽真空；

将进行抽真空后的锈钢外壁1、铜合金内壁2和端盖3组成的组合结构放入高压容器内进行第一次加压处理；

从高压容器中取出组合结构，通过导气管使得内、外壁之间的与外部气体保持畅通；

将内、外壁再次放入高压容器内进行第二次加压处理，其中第二次加压处理的最大压力大于第一次加压处理的最大压力；

取出经过第二次加压处理的组合结构，切除端盖3及锈钢外壁1配合导气管的部分，获得由锈钢外壁1铜合金内壁2构成的推力室身部结构。

以上实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。