本发明属于航空航天设备技术领域，涉及一种轴对称喷管整体焊接方法。
背景技术：
喷管的扩散-收敛结构件被应用于航空航天领域的高速或高超音速飞行器上和风洞试验中。在高超音速飞行状态下，喷管的扩散-收敛结构件喉道段需要承受高压以及超过2100℃的高温的恶劣工况条件；为提高喷管的扩散-收敛结构件在高温、高压下的使用寿命，一般设计不锈钢与铜合金复合的、带有许多薄壁槽道的复杂主动冷却结构。
因轴对称喷管喉道段扩散-收敛的特殊结构，铜合金内壳为两端大、中间小的结构，加工时候铜合金内壳无法直接套入不锈钢外壳内，且焊接面为曲面，对于轴对称喷管整体钎焊时对工装要求较高，加工难度大，钎焊面的密封性得不到保证。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题在于提供一种轴对称喷管整体焊接方法，将不锈钢外壳沿轴向切割为若干瓣通过真空钎焊与铜合金内壳焊接，降低了加工难度；并在不锈钢外壳的切割缝处设置补偿块，保证了轴对称喷管整体结构的密封性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种轴对称喷管整体焊接方法，包括如下步骤：
(1)在圆柱铜合金锻件中部沿轴向开设通槽；将圆柱铜合金锻件的外壁用车床加工成第一弧面，在第一弧面上沿轴向开设多条冷却槽道，得到铜合金内壳；
(2)在圆柱不锈钢锻件中部沿轴向开设与铜合金内壳外型相匹配的内型孔；将圆柱不锈钢锻件的外壁用车床加工成与第一弧面弧度相匹配的第二弧面，得到不锈钢外壳；
(3)将不锈钢外壳沿轴向均等分切割成若干瓣；采用储能焊的方式将箔状钎料hbni82crsib铺满各瓣不锈钢外壳的内壁，用工装将各瓣不锈钢外壳的内壁依次与铜合金内壳的外壁紧密贴合并压紧，得到组合件；
(4)将组合件放入真空钎焊炉，在真空条件下加热，对组合件进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉；
(5)切割出与各瓣不锈钢外壳之间的切割缝相匹配的补偿块，采用氩弧焊将补偿块与对应的不锈钢外壳焊接，将不锈钢外壳重新焊接为整体结构；
(6)将铜合金内壳内的通槽用车床加工成与第一弧面的弧度相匹配的第三弧面，形成内通道，将组合件外型用车床加工到最终尺寸，得到轴对称喷管整体组件。
进一步，所述的通槽的直径小于轴对称喷管收敛段的最小尺寸。
进一步，所述的轴对称喷管收敛段的最小尺寸为50mm。
进一步，步骤(4)中的真空钎焊的压力为0.01～500pa，温度为300℃～1100℃，时间为10～12h。
进一步，步骤(4)中真空钎焊操作包括如下步骤：
(1)对真空炉抽真空，使炉内真空度达1×10-2pa；
(2)向炉内填充高纯氩气，使炉内真空度到50-150pa；
(3)以30℃/h的速度加热到450℃，保温60min；
(4)以60℃/h的速度加热到700℃，分压5pa，保温60min；
(5)以90℃/h的速度加热到900℃，分压30pa，保温240min；
(6)以100℃/h的速度加热到1095±5℃，分压50pa，开始真空钎焊，时间为4～6h。
进一步，钎焊完毕后，以90℃/h的速率控温冷却到700℃关分压阀，随炉真空冷却气体冷却到200℃充填高纯氩气，使炉内压力达到9×104pa，待组合件冷却至65℃出炉。
进一步，所述的不锈钢外壳的壁厚为8～10mm。
进一步，步骤(6)中加工后的铜合金内壳的壁厚与不锈钢外壳的壁厚相等。
进一步，所述的补偿块的宽度为1～3mm。
进一步，采用氩弧焊将补偿块与对应的不锈钢外壳焊接后，将焊缝打磨光滑。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种轴对称喷管整体焊接方法，首先制作两端大、中间小的铜合金内壳，并在铜合金内壳外壁面开设冷却槽道；然后制备与铜合金内壳外型尺寸相匹配的不锈钢外壳；将不锈钢外壳沿轴向均等分切割为若干瓣，将箔状钎料hbni82crsib在不锈钢外壳的内壁上铺满，并采用工装将不锈钢外壳与铜合金内壳的第一弧面紧密贴合并压紧，真空钎焊后得到组合件；然后切割出与各瓣不锈钢外壳之间的切割缝相匹配的补偿块，采用氩弧焊将补偿块与不锈钢外壳焊接；最后将铜合金内壳的通槽用车床加工成与第一弧面弧度相匹配的第三弧面，形成内通道，得到轴对称喷管整体组件。
因铜合金内壳为两端大、中间小的结构，加工时铜合金内壳无法直接套入不锈钢外壳内，本发明将不锈钢外壳沿轴向切割为若干瓣，采用真空钎焊将不锈钢外壳和铜合金内壳钎焊成组合件，降低了轴对称喷管整体焊接的加工难度；并在不锈钢外壳的切割缝处设置补偿块，保证了轴对称喷管整体结构的整体性和密封性。此外，采用工装对不锈钢外壳和铜合金内壳压紧时，为了防止铜合金内壳真空钎焊时发生变形，在真空钎焊前在铜合金内壳内开设通槽，通槽的直径小于轴对称喷管收敛段的最小尺寸；在对组合件进行真空钎焊后，再将铜合金内壳内通槽用车床加工成与第一弧面的弧度相匹配的第三弧面，形成内通道；此设计既保证了不锈钢外壳与铜合金内壳的紧密贴合，又防止了铜合金内壳在真空钎焊时发生变形，进而提高了轴对称喷管的密封性。
附图说明
图1为本发明的轴对称喷管整体内部结构截面图；
其中，1为不锈钢外壳，2为铜合金内壳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。
一种轴对称喷管整体焊接方法，包括如下步骤：
(1)在圆柱铜合金锻件中部沿轴向开设通槽；将圆柱铜合金锻件的外壁用车床加工成第一弧面，在第一弧面上沿轴向开设多条冷却槽道，得到铜合金内壳2；
(2)在圆柱不锈钢锻件中部沿轴向开设与铜合金内壳2外型相匹配的内型孔；将圆柱不锈钢锻件的外壁用车床加工成与第一弧面弧度相匹配的第二弧面，得到不锈钢外壳1；
(3)将不锈钢外壳1沿轴向均等分切割成若干瓣；采用储能焊的方式将箔状钎料hbni82crsib铺满各瓣在不锈钢外壳1的内壁，用工装将各瓣不锈钢外壳1的内壁依次与铜合金内壳2的外壁紧密贴合并压紧，得到组合件；
(4)将组合件放入真空钎焊炉，在真空条件下加热，对内壳与外壳的组合件进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉；
(5)切割出与各瓣不锈钢外壳之间的切割缝相匹配的补偿块，采用氩弧焊将补偿块与对应的不锈钢外壳1焊接，将不锈钢外壳1重新焊接为整体结构；
(6)将铜合金内壳2内通槽用车床加工成与第一弧面的弧度相匹配的第三弧面，形成内通道，将组合件外型用车床加工到最终尺寸，得到轴对称喷管整体组件。
本发明是根据设计要求的尺寸，将各组件通过本发明提供的方法焊接成轴对称喷管整体组件。具体的，本发明首先在圆柱铜合金锻件中部沿轴向开设通槽，通槽的直径小于轴对称喷管设计要求的收敛段的最小尺寸；将圆柱铜合金锻件的外壁用车床加工成设计要求的第一弧面，在第一弧面上开设多条冷却槽道，用于冷却轴对称喷管，使轴对称喷管能够在高温下工作。通槽的直径小于轴对称喷管收敛段的最小尺寸，是为了后期方便将通槽用车床加工成与第一弧面弧度相匹配的第三弧面，形成内通道。
具体的，在圆柱不锈钢锻件中部沿轴向开设与铜合金内壳2外型相匹配的内型孔；将圆柱不锈钢锻件的外壁用车床加工成与第一弧面弧度相匹配的第二弧面，得到不锈钢外壳1。因铜合金内壳2和不锈钢外壳1均为两端大、中间小的结构，铜合金内壳2无法直接套设在不锈钢外壳1的内型孔内，因此将不锈钢外壳1沿轴向均等分切割成若干瓣；可选的，可将不锈钢外壳1沿轴向均等分切割成三瓣，采用储能焊的方式将箔状钎料hbni82crsib铺满各瓣不锈钢外壳1的内壁，用工装将各瓣不锈钢外壳1的内壁依次与铜合金内壳2的外壁紧密贴合并压紧，得到组合件。本发明首先制备铜合金内壳2，将铜合金内壳2和不锈钢外壳1钎焊后，最后再对铜合金内壳2进行加工，将通槽用车床加工成与第一弧面的弧度相匹配的第三弧面，得到铜合金内壳2与不锈钢外壳1的组合件。
需要说明的是，采用氩弧焊焊接不锈钢外壳1与补偿块时，电流为80-100a，氩气流量在5-8l/min，焊丝材料为0cr21ni10。所述的工装是与不锈钢外壳1外部弧面相匹配的弧形夹紧件，将不锈钢外壳1和铜合金内壳2定位和压紧，保证不锈钢外壳1和铜合金内壳2的钎焊面紧密贴合，然后由中间向两边检测钎焊间隙，保证钎缝间隙小于等于0.05mm，并且均匀一致。
进一步，所述的通槽的直径小于轴对称喷管收敛段的最小尺寸，方便后期对通槽进行加工，将通槽用车床加工成与第一弧面弧度相匹配的第三弧面，得到铜合金内壳2与不锈钢外壳1的组合件。
进一步，所述的轴对称喷管收敛段的最小尺寸为50mm，即轴对称喷管的喉道段最小尺寸为50mm。
进一步，步骤(4)中的真空钎焊的压力为0.01～500pa，温度为300℃～1100℃，时间为10～12h。
进一步，步骤(4)中真空钎焊操作包括如下步骤：
(1)对真空炉抽真空，使炉内真空度达1×10-2pa；
(2)向炉内填充高纯氩气，使炉内真空度到50-150pa；
(3)以30℃/h的速度加热到450℃，保温60min；
(4)以60℃/h的速度加热到700℃，分压5pa，保温60min；
(5)以90℃/h的速度加热到900℃，分压30pa，保温240min；
(6)以100℃/h的速度加热到1095±5℃，分压50pa，开始真空钎焊，时间为4～6h。
具体的，真空钎焊时，打开炉门将不锈钢外壳1和铜合金内壳2的组合件装入真空钎焊炉中有效均温区并立即关上炉门；抽真空使炉内真空度达1×10-2pa，防止钎料中mn、cu元素挥发；给炉内填充高纯氩气，使炉内真空度到50-150pa；开始程序升温，待炉内温度升至1095±5℃时，开始真空钎焊。
进一步，钎焊完毕后，以90℃/h的速率控温冷却到700℃关分压阀，随炉真空冷却气体冷却到200℃充填高纯氩气，使炉内压力达到9×104pa，待组合件冷却至65℃出炉，其中氩气纯度为99.999％，用于对炉内组合件进行冷却。
最后，分别在轴对称喷管两侧焊接o型喷管，电流80-100a，氩气流量5-8l/min。焊丝材料为0cr21ni10，对夹层及o型水管进行8.5mpa水压试验，保持30min，对氩弧焊焊缝逐一进行检查，对泄漏垫进行有效标记。
最后对轴对称喷管的整体组件进行压力试验，以测定整体组件的密封性。具体操作为：分别对真空钎焊得到的轴对称喷管的整体组件的扩张段和喉道进行压力试验，在2.0mpa～9.5mpa下每升高0.5mpa，保压5min，对整体组件的扩张段和喉道进行压力测试，测试结果均为合格；在10.0mpa下保压30min，对整体组件的扩张段和喉道进行压力测试，测试结果均为合格。
进一步，所述的不锈钢外壳1的壁厚为8～10mm。
进一步，步骤(6)中加工后的铜合金内壳2的壁厚与不锈钢外壳1的壁厚相等。
进一步，所述的补偿块的宽度为1～3mm。
进一步，采用氩弧焊将补偿块与对应的不锈钢外壳1焊接后，将焊缝打磨光滑。
需要说明的是，轴对称喷管的材料主要为aisi304和cr-zr-cu。aisi304固溶处理后为单相奥氏体组织，具有较高的强度，良好的韧性、塑性、焊接性以及抗腐蚀性能。铜合金内壳2的材料为cr-zr-cu。cr-zr-cu固溶-时效强化合金，具有高强高导特性，具有良好的抗蚀性和高温抗氧化性，也具有良好的焊接性能，能很好的承受冷态和热态压力加工。
由以上技术方案，本发明提供了一种轴对称喷管整体焊接方法，首先制作两端大、中间小的铜合金内壳，并在铜合金内壳外壁面开设冷却槽道；然后制备与铜合金内壳外型尺寸匹配的不锈钢外壳1；将不锈钢外壳1沿轴向均等分切割为若干瓣，将箔状钎料hbni82crsib在不锈钢外壳1的内壁上铺满，并采用工装将不锈钢外壳1与铜合金内壳2的第一弧面紧密贴合并压紧，真空钎焊后得到组合件；然后切割出与不锈钢外壳1切割缝尺寸相匹配的补偿块，采用氩弧焊将补偿块与不锈钢外壳1焊接；最后将铜合金内壳的通槽用车床加工成与第一弧面的弧度相匹配的第三弧面，形成内通道，得到轴对称喷管整体组件。
因铜合金内壳为两端大、中间小的结构，加工时铜合金内壳无法直接套入不锈钢外壳内，本发明将不锈钢外壳1沿轴向切割为若干瓣，采用真空钎焊将不锈钢外壳1和铜合金内壳2钎焊成组合件，降低了轴对称喷管整体焊接的加工难度；并在不锈钢外壳1的切割缝处设置补偿块，保证了轴对称喷管整体结构的整体性和密封性。此外，采用工装对不锈钢外壳1和铜合金内壳2压紧时，为了防止铜合金内壳2真空钎焊时发生变形，在真空钎焊前在铜合金内壳2内开设通槽，通槽的直径小于轴对称喷管收敛段的最小尺寸；在对组合件进行真空钎焊后，再将铜合金内壳2内通槽用车床加工成与第一弧面的弧度相匹配的第三弧面，形成内通道；此设计既保证了不锈钢外壳1与铜合金内壳2的紧密贴合，又防止了铜合金内壳2发生变形，进而提高了轴对称喷管的密封性。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。