CN103639668B - 一种用于航天飞行器外贮箱网格壁板的快速制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于航天飞行器外贮箱网格壁板的快速制造方法，该外贮箱网格壁板包括底板和网格筋条，采用搅拌摩擦焊设备进行加工，包括以下步骤：1）底板板材的预加工；2）叠焊板材的材质与底板遵循成分匹配或者性能互补原则选取；根据底板上的网格数量，网格尺寸和筋条宽度确定所述叠焊板材的尺寸；3）设计用于该结构的搅拌摩擦叠焊夹具；4）分层增材-局部铣切的制造概念由搅拌摩擦叠焊网格筋条实现；5）精加工。本发明将分层增材制造概念和搅拌摩擦焊技术结合起来，不仅可以实现各种形状和高度的加筋条网格壁板的制造，还可以在薄铝板上实现异种铝合金加筋条网格壁板的制造加工，这是目前化学铣切和机械铣切加工方法都无法实现的。

Description

一种用于航天飞行器外贮箱网格壁板的快速制造方法

技术领域

本发明属于航空航天铝合金结构制造领域，具体讲是指航天飞行器外贮箱结构的带网格状加筋条壁板构件，即网格壁板的一种增材-局部铣切的快速制造方法。

背景技术

外贮箱结构是大型运载火箭的重要组成部分，其主要部分是由铝合金壁板经过卷曲焊接形成的圆柱型筒箱容器。由于外贮箱不仅承载助推剂，也是轨道器的支撑和连接机构，因此其箱壁在满足装载密封性的前提下，还必须具有较高的强度以面对恶劣的工作环境。增加壁板厚度固然能增高强度，但这也直接影响了运载火箭的重量。为了保证外储箱的工作强度，并尽量减轻运载火箭的总重量，外储箱壁板必须采用带有交叉网格状加筋条的网格壁板来加工制造。

由于外贮箱尺寸较大（长度可达10m，最大超过40米，直径超过8m），现有的对于网格壁板的加工技术主要为减材加工制造方法：即在较厚的铝板上，根据网格加筋条的分布形式和形状，采用减材加工方法在网格内部去除多余材料，使得厚铝板在一面或两面形成带有网格状加筋条的网格壁板结构。目前在航天结构制造领域采用的减材加工方法主要有化学铣切和机械铣切两种加工方式。

化学铣切的加工原理是利用一定浓度的NaOH碱溶液与Al发生化学反应，通过控制过程的侧切率（腐蚀速度和垂直于表面的腐蚀速度之比）来获得合适的加筋肋条宽度。化铣的一般工艺流程是：去包铝层-涂覆保护胶-固化-化铣样板刻型-化铣-热水洗-出光-冷水洗-去保护胶-成品检验。浸于化铣槽中的壁板零件一般高度为1.5m，因此化铣槽体积也较大，在化铣过程中，很难在这样大的空间内保证化铣液的浓度均匀，因此难免会产生由浓度、温度梯度造成的“锥度化铣”，导致壁板厚度不均匀。由此也可看出，化铣很难保证壁板的表面粗糙度，需要大量后续加工，这在一定程度上又增加了生产周期。化学铣切加工造成了大批铝合金板材的浪费，生产如此庞大的外储箱壁板必然需要大量的化铣液，这也产生了大量的废液污染环境、且生产效率低，这不论对于经济性还是环境保护都是一个巨大的难题。

机械铣切相对于化学铣切来讲，有加工精度高，剩余壁厚易控制等优点，该项技术在国外应用较常见，目前国内也有部分运用。然而，机械铣切也面临着许多问题。由于外储箱属于大型零件，现有的设备能力和工艺水平很难满足其加工要求。壁板上需要铣切的部分的面积和深度都较大，铣刀需要在板材中经过类似于螺旋绕行的方式，才能得到大尺寸的网格结构。铝合金又属于轻质刚性较差的材料，因此在加工过程中很容易造成材料的变形和应力分布不均匀现象，导致筋条尺寸不一，严重影响到后续加工精度。在长时间的高速切削过程中，铝合金极易产生积屑瘤，妨碍刀头散热，影响加工效率。为了保证加强筋条与壁板间支撑的可靠性，对于支撑根部需要加工小半径的圆弧以防止应力集中，这时切削工具的可达性以及加工精度也是需要考虑的重要问题。

搅拌摩擦焊技术是英国焊接研究所于1991年发明的一种新型固相连接方法，最开始运用于轻质金属如铝合金，镁合金和钛合金等对接接头，如今该项技术已经广泛应用于搭接和T型接头中。异种铝镁合金，同系列不同牌号的铝合金之间的连接也可以通过搅拌摩擦焊来实现。由于这些轻质合金具有热导率高，比热大及易氧化的特点，运用传统的熔化焊方法焊接时常会产生热量散失快，变形大，并且极容易形成金属氧化物造成焊缝与木材连接处强度降低，气孔和难融合等缺陷。对于2xxx,7xxx系列铝合金甚至会产生不可焊的问题。而搅拌摩擦焊则很好的解决了这些难题，同传统焊接方法相比，其具有以下优点：

（1）由于搅拌头的机械作用，被焊工件表面氧化层被搅动打碎，使焊前准备工作量大大降低。

（2）焊接过程在塑性温度进行，低于材料熔点。焊接过程没有飞溅和烟尘，焊缝成形优良，这极大改善了焊接条件。较低的焊接温度也使得被焊工件基本没有发生变形，节省了焊后矫形的步骤，保证了加工尺寸精度。

（3）焊缝组织在热和力的共同作用下发生动态再结晶，该结构具有化学成分均匀，力学性能优良的特点。这不仅保证了与母材的等强匹配，也降低了由于组织不均匀可能造成的应力腐蚀危害。

（4）搅拌摩擦焊方便实现自动化焊接，在提高焊接生产效率的同时也能保证大批量焊接成品的质量可靠性。而通过改进工作台，一次性可完成50m长的焊缝。搅拌摩擦焊在焊接大截面，大尺寸的工件上体现了明显优势。

（5）许多搅拌摩擦焊设备是在立式龙门铣床基础上改造的，因此在同一工作平台上完成焊接与机械加工也是可行的，这就节省了工装夹具的制造开支。

目前搅拌摩擦焊在铝合金结构制造中已获得广泛应用，但尚未见到搅拌摩擦加工方法应用于航天飞行器外贮箱网格壁板制造中。

发明内容

针对上述现有技术，为解决目前网格壁板化学铣切和机械铣切两种工艺的局限性，本发明提供一种用于航天飞行器外贮箱网格壁板的快速制造方法，将分层增材制造概念和搅拌摩擦焊技术结合起来，即采用搅拌摩擦焊方法和增材制造概念，在薄铝板上分层叠焊出具有凸台的网格筋条。再通过对搅拌摩擦分层叠焊网格筋条的局部铣切，形成具有一定高度和宽度的规则标准化的网格壁板结构。本发明不仅可以实现各种形状和高度的加筋条网格壁板的制造，尤其是可以在给定薄铝板（作为底板）上实现异种铝合金加筋条网格壁板的制造加工（如底板采用塑性好的铝合金板，而网格加筋条采用高强度铝合金制造），这是目前化学铣切和机械铣切加工方法都无法实现的制造过程。

为了解决上述技术问题，本发明一种用于航天飞行器外贮箱网格壁板的快速制造方法，该外贮箱网格壁板包括底板和网格筋条，采用搅拌摩擦焊设备进行加工，包括以下步骤：

步骤一、毛料板材的预切割和表面清理；

步骤二、选择搅拌摩擦叠焊板材，所述叠焊板材的材质根据底板材质并遵循等化学成分匹配或者性能互补匹配的原则来选取；根据底板上的网格数量，网格尺寸和筋条的宽度确定所述叠焊板材的长度和宽度；

步骤三、设计用于固定底板和叠焊板材的搅拌摩擦叠焊接头夹具；

步骤四、由搅拌摩擦叠焊板材形成网格筋条；

步骤五、精加工，包括：对搅拌摩擦叠焊筋条与底板的连接根部进行倒圆角处理、切除焊缝末端、对顶端焊缝表面去飞边和毛刺及打磨圆角处理。

进一步讲，步骤四采用下述两种方法之一：

方法A，包括以下步骤：

A-1）将搅拌摩擦叠焊板材的宽度切成大于筋条宽度10mm的板条，即并按照外贮箱网格壁板上网格状筋条的布置拼接板条，板条与板条连接处通过搅拌摩擦焊连接，由此获得筋条的框架结构；

A-2）按照外贮箱网格壁板上网格状筋条的高度将该多个筋条的框架结构叠放于所述底板上；

A-3）板条表面为搅拌摩擦叠焊接头表面，沿着板条的走向利用搅拌摩擦焊进行叠焊接头焊接，将板条与底板连接上，在底板上初步获得了网格状筋条的形态；

A-4）沿着焊缝边缘切去多余部分，从而形成所需的网格筋条。

方法B，包括以下步骤：

B-1）将与所述底板等大的叠焊板材放置于底板上；

B-2)在该叠焊板材上划线标记出网格筋条的分布，从而确定了焊接的位置，在划线区域内进行搭接接头的焊接，

B-3）一层叠焊板材焊接完成后，按照外贮箱网格壁板上网格状筋条的高度决定需要叠加的叠焊板材的层数，各层叠焊板材均按照上述B-2）步骤依次焊接，相邻两层焊缝重叠；

B-4）完成所有层的叠焊板材焊接后，沿焊缝边缘铣切，焊缝外围的叠焊板材随即脱落，从而形成所需的网格筋条；

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明以分层增材制造技术为理念，应用搅拌摩擦焊技术具体实现加筋条的分层增材制造过程，同传统的铣切方式相比，具有以下突出有益效果：

（2）筋条与底板的结合方式采用搅拌摩擦叠焊接头，搅拌摩擦焊为固相连接过程，连接区域为锻造挤压组织结构具有优良的抗剪切能力，足够保证筋条与底板的结合强度。

（3）分层增材快速制造技术可解决整体加工工作周期长，制造精度低的问题。而利用搅拌摩擦焊预先完成网格筋条结构的连接，使得结构具有开敞性，机械加工工具的可达性得到了保证。

（4）网格筋条采用焊接的形式加工，中心思想就是为了使用最少的材料获得预期的工艺结构。这与传统铣切方式相比，由于主体结构已经成型，只需要对于结构边缘进行少量的机械加工获得尺寸和精度要求，极大地节约了铝合金原材料的消耗、降低能耗和制造成本。有效提高生产效率。

（5）焊接方式选取搅拌摩擦焊，不需要焊接填充材料，保证了筋条与底板连接处成分均匀，不会出现浓度梯度等问题，这也从微观结构方面保证了筋条对底板的支撑作用。

（6）可以制造出带有异种铝合金加筋条的网格壁板产品，创造出一种异种铝合金材料组合的网格壁板产品，这是本发明快速制造方法的独特优势，目前传统的铣切方式中根本无法制造这种异种材料网格壁板产品。

（7）本发明快速制造方法自动化程度高，可实现加筋条分层增材制造与机械加工一体化，在给顶工作平台上可以保证大尺寸网格壁板一次性完整加工，极大地节约了工时。

（8）本发明快速制造方法加工的加筋壁板内残余变形和应力低、尺寸精度高，与传统机械铣切残余应力大、变形大的特点相比，其后续加工余量小，矫形工作量大为减少。

总之，本发明采用搅拌摩擦焊技术实现这种分层增材快速制造过程，可以极大降低原材料的消耗量，造成不必要的浪费，也节省了其他辅助耗材的应用。同化学铣切相比，杜绝了生产过程对于环境的污染作用，实现环境友好型生产。同机械铣切相比，减小了大面积机械加工对于壁板造成的变形和应力分布不均匀影响。对于切削工具要求降低，可达性高，便于完成不同形状网格结构（如三角形，菱形等）的加工。不仅缩短了工作周期，也能保证较高的加工精度。

附图说明

图1-1是本发明实施例1的网格结构示意图；

图1-2是图1中所示A处局部放大示意图；

图2是本发明实施例1的结构立体图；

图3-1是本发明实施例2的网格结构示意图；

图3-2是图3-1中所示A处局部放大示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

本发明一种用于航天飞行器外贮箱网格壁板的快速制造方法，该外贮箱网格壁板包括底板和网格筋条，采用搅拌摩擦焊设备进行加工，包括以下步骤：

步骤一、毛料板材的预切割和表面清理：毛料板材选用铝板，根据实际的搅拌摩擦焊设备选取最经济的铝板长度，铝板宽度根据外贮箱外径计算获得；铝板的长度与宽度都应该留出焊接余量，这是因为搅拌摩擦焊末端匙孔部位需要切除；铝板清理主要是指对油污的清理。

步骤二、选择搅拌摩擦叠焊板材，所述叠焊板材的材质根据外储箱的底板材质并遵循等化学成分匹配或者性能互补匹配的原则来选取，后者主要是指对外贮箱壁板有较高的力学性能要求时，板选取在突出良好塑性的情况下，搭接铝板作为筋条部分，其强度应高于底板材料。搅拌摩擦叠焊板材（即筋条部分）的长度应上述步骤一中处理的铝板等长，叠焊板材的宽度由底板上周向需要加工的网格数量，网格尺寸和筋条的宽度来决定；

步骤三、设计用于固定底板和叠焊板材的搅拌摩擦叠焊接头夹具，在搅拌摩擦叠焊铝板焊缝两侧下方应垫入与铝板相同厚度的垫板，焊接该垫板应保证底板焊接时处于平整的状态，保证铝板与铝板，铝板与底板之间水平面结合，不发生翘曲。在焊缝两侧上方布置夹具，夹具应保证搭接面间结合紧密，不发生相对滑动。

步骤四、搅拌摩擦叠焊板材的下料，即由搅拌摩擦叠焊板材形成网格筋条，这一步分两种情况。

一种是预先加工出完整的筋条形状，包括以下步骤：

A-1）搅拌摩擦叠焊板材的宽度大于筋条宽度10mm（即两侧各留出5mm加工余量）的板条，并按照外贮箱网格壁板上网格状筋条的布置同宽度不同长度的铝板条拼接成筋条形状，板条与板条连接处通过搅拌摩擦焊连接，由此获得筋条的框架结构；

A-2）按照外贮箱网格壁板上网格状筋条的高度将该多个筋条的框架结构叠放于所述底板上，以获得所需要的筋条高度；

A-3）板条表面即为搅拌摩擦叠焊接头表面，沿着板条的走向利用搅拌摩擦焊进行叠焊接头焊接，注意应布置多条平行焊缝，保证一定的焊缝重叠量，将板条与底板连接上，在底板上初步获得了网格状筋条的形态；

A-4）沿着焊缝边缘切去多余部分，从而形成所需的网格筋条（包括布局的形状和宽度）；

另一种情况是在完整铝板上焊接筋条形状，包括以下步骤：

B-1）将与所述底板等大的薄铝板至于底板上；

B-2)在该薄铝板上划线标记出网格筋条的分布，筋条分布的位置即需要焊接的位置，在划线区域内进行搭接接头的焊接；

B-3）一层铝板焊接完成后，按照外贮箱网格壁板上网格状筋条的高度决定需要叠加的铝板的层数，之后叠加的铝板按照上述B-2）步骤确定焊缝分布及焊接，该层焊缝应与第一层焊缝重叠，依次完成各层铝板的焊接，并保证相邻两层焊缝是重叠的；

B-4）所有叠加铝板搭接完成后，沿焊缝边缘铣切，这样铣刀刀头只需要绕焊缝边缘走一遍，而焊缝外围由于铝板并未与底板连接，因此其他未被焊接的铝板即可脱落，从而形成所需的网格筋条；

步骤五、精加工：对搅拌摩擦叠焊筋条与底板连接根部做倒圆角处理，此时很容易保证铣刀刀头到根部的可达性，保证加工精度；其他后续处理包括切除焊缝末端（有匙孔部分），对顶端焊缝表面的去飞边、毛刺，打磨圆角等处理。

综上，本发明用于航天飞行器外贮箱网格壁板的快速制造方法，主要采用分层增材-局部铣切的制造概念。首先选择一定厚度的薄铝板作为底板，其次在铝板表面固定一定宽度和厚度的铝合金条作为网格状加筋条，然后采用搅拌摩擦焊工艺将铝合金加筋条叠焊在铝合金底板上；再在已焊接的网格状铝合金加筋条表面上固定新的相同宽度和厚度的铝合金加筋条，采用搅拌摩擦焊工艺将新的铝合金加筋条叠焊在原来的加筋条上，重复该工艺过程直到增材叠焊出给定高度的加筋条凸台；最后对分层搅拌摩擦叠焊出的加筋条凸台进行局部修复铣切加工制造出给定尺寸的网格壁板。

实施例1：预先焊接形成筋条形状的网格结构加工方法：

在8mm×690mm×690mm底板上加工如图1-1所示分布的网格，筋条宽度为30mm，网格深度为8mm的焊接。首先对4mm厚的铝合金板经过剪板，分别得到尺寸（1）150mm×30mm的铝板8块，（2）690mm×30mm的铝板3块。在铝板2的两侧对称布置铝板1，分布如图1-1所示。运用轴肩直径12mm，搅拌针长度3.5mm的搅拌头完成如图1-2中所示角接接头，总共六组。焊接完成后得到图2中所示筋条1的结构。重复上述步骤，完成第二套筋条1的焊接。

先将一套筋条1布置在底板2上，通过搅拌摩擦焊搭接夹具装配夹紧。筋条1与底板2的重叠部分即为需要进行焊接的部位。焊接参数选择：转速600rpm，焊接速度60mm/min，搅拌轴肩直径20mm，搅拌针长度5.5mm。为保证筋条1与底板2的结合强度，每道筋条1上并列焊接两道焊缝，两道焊缝中心线间平行距离设为10mm。

第一套筋条1焊接结束后，对焊缝表面进行清理。将第二套筋条放置于已固定的筋条之上，按照上述要求，继续完成焊接。全部工作结束后，再对于留出的加工余量和焊缝端部进行相应的机械加工，完成筋条1的焊接工作，得到如图2所示的网格结构。

实施例2：在整块铝板上焊接形成筋条的网格结构加工方法：

所需的带网格的壁板如图3-1和图3-2所示，该实施例中的方法不需要预先单独加工筋条结构，而是将两块与底板相同长宽尺寸的铝板3和4放置在底板之上。通过搅拌摩擦焊搭接夹具对其进行装配固定。根据网格布置，如图3-1所示，在铝板3的表面划线，主要目的是标记出网格中筋条的位置。完成准备工作后，选取焊接参数：转速900rpm，焊接速度80mm/min,轴肩直径30mm，搅拌针长度9.5mm。按照划线区域对该结构完成搅拌摩擦焊焊接，同样应当考虑多道搭接焊缝的重叠量，可设定为两道焊缝，焊缝中心线间距为15mm。

焊接完成后，更换搅拌头为铣刀刀头。如图3-1所示即为铣刀刀头的部分行走路线（沿焊缝边缘），铣刀进给量为8mm。由图3-2可以看出，铝板3和4和底板5只有在筋条部分被焊接结合（图3-2中阴影部分即焊缝），其他部位仍然是分离的，这样，铣刀绕焊缝边缘行走一圈，即可以将多余的铝板清除。

实施例3：加强筋条材质与底板材质不同的网格结构加工方法

加工尺寸如实施例3给出，底板5材料为2024铝合金，该种铝合金塑性较好，适宜做外贮箱壁板，具有良好的延展性。搭接板3,4材质选取7075铝合金，该种铝材具有较高的强度，作为加强筋条可以使壁板在有高塑性的基础上同时具有较高强度，以抵抗外界的冲击和摩擦。该实施例即将搅拌摩擦焊异种铝合金搭接技术运用于外贮箱壁的网格结构加工中，焊接参数与加工步骤同实施例2。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种用于航天飞行器外贮箱网格壁板的快速制造方法，该外贮箱网格壁板包括底板和网格筋条，其特征在于，采用搅拌摩擦焊设备进行加工，包括以下步骤：

步骤一、毛料板材的预切割和表面清理；

步骤二、选择搅拌摩擦叠焊板材，所述叠焊板材的材质根据底板材质并遵循等化学成分匹配或者性能互补匹配的原则来选取；所述搅拌摩擦叠焊板材的长度与上述步骤一中处理的毛料板材等长，搅拌摩擦叠焊板材的宽度由底板上的网格数量，网格尺寸和筋条的宽度来决定；

步骤三、设计用于固定底板和叠焊板材的搅拌摩擦叠焊接头夹具；

步骤四、由搅拌摩擦叠焊板材形成网格筋条；

步骤五、精加工，包括：对搅拌摩擦叠焊筋条与底板的连接根部进行倒圆角处理、切除焊缝末端匙孔部位、对顶端焊缝表面去飞边和毛刺处理及对筋条与底板的连接根部进行打磨圆角处理。

2.根据权利要求1所述用于航天飞行器外贮箱网格壁板的快速制造方法，其中，步骤四包括以下步骤：

A-1)将搅拌摩擦叠焊板材切成宽度比筋条宽度大10mm的板条，并按照外贮箱网格壁板上网格状筋条的布置拼接板条，板条与板条连接处通过搅拌摩擦焊连接，由此获得筋条的框架结构；

A-2)按照外贮箱网格壁板上网格状筋条的高度将该筋条的框架结构叠放于所述底板上；

A-3)板条表面为搅拌摩擦叠焊接头表面，沿着板条的走向利用搅拌摩擦焊进行叠焊接头焊接，将板条与底板连接上，在底板上初步获得了网格状筋条的形态；

A-4)沿着焊缝边缘切去多余部分，从而形成所需的网格筋条。

3.根据权利要求1所述用于航天飞行器外贮箱网格壁板的快速制造方法，其中，步骤四包括以下步骤：

B-1)将与所述底板等大的叠焊板材放置于底板上；

B-2)在该叠焊板材上划线标记出网格筋条的分布，从而确定了焊接的位置，在划线区域内进行搭接接头的焊接，

B-3)一层叠焊板材焊接完成后，按照外贮箱网格壁板上网格状筋条的高度决定需要叠加的叠焊板材的层数，各层叠焊板材均按照上述B-2)步骤依次焊接，相邻两层焊缝重叠；

B-4)完成所有层的叠焊板材焊接后，沿焊缝边缘铣切，焊缝外围的叠焊板材随即脱落，从而形成所需的网格筋条。