CN114479679B - 一种大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，包括：将金属壳体与喷管本体进行适配；在喷管本体的大口径段配合面上粘接生胶片，在喷管本体的小口径段配合面上刷涂液体胶粘剂并烘干；在金属壳体的大口径段配合面和生胶片外表面刷胶，并在金属壳体的小口径段配合面上刷涂液体胶粘剂；通过粘接工装固定金属壳体，使金属壳体的小口径端朝下；将喷管本体与成型模具的组合体的小口径端朝下落入金属壳体中，使金属壳体的大口径段配合面与喷管本体的大口径段配合面匹配粘接，金属壳体的小口径段配合面与喷管本体的小口径段配合面匹配粘接；对金属壳体与喷管本体的粘接体加热固化；对粘接质量进行检测；根据粘接质量检测结果进行补胶处理。

Description

一种大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法

技术领域

本发明属于固体火箭发动机技术领域，特别涉及一种大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法。

背景技术

大尺寸发动机喷管的需求是随同大直径大推力固体火箭发动机的出现而出现的。相对于普通中小型发动机喷管，尺寸大、质量重是大尺寸发动机喷管的主要特征。同时更高的耐烧蚀和承载能力要求导致大尺寸发动机喷管各部分组成结构也与普通中小型发动机喷管之间存在一定区别。因此大尺寸发动机喷管制备过程需要专门的工艺方法来实现。

大尺寸发动机喷管的主要承载结构金属壳体与喷管本体的粘接过程，是大尺寸发动机喷管生产过程中的关键过程和技术难点。相对于与普通中小型发动机喷管金属壳体粘接过程，大尺寸发动机喷管金属壳体由于尺寸大、质量重，导致其粘接过程操作起来更繁琐。结构设计方面相对于普通中小型发动机喷管金属壳体的单配合面设计，大尺寸发动机喷管金属壳体的配合面为双配合面，复杂的结构设计进一步增加了大尺寸发动机喷管金属壳体的粘接难度。以上两项技术难点对于大尺寸发动机喷管金属壳体粘接质量和精度的保证也提出了巨大挑战。因此，迫切需要制定专门的工艺方法来实现大尺寸发动机喷管金属壳体的粘接工艺，同时保证粘接的质量和精度。

发明内容

本发明的目的是克服大尺寸发动机喷管因尺寸大、质量重、结构复杂等特点导致的金属壳体粘接过程操作困难这一技术壁垒，提供了一种大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，能够保证粘接的质量和精度满足设计要求。

本发明提供的技术方案为：

一种大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，包括如下步骤：

步骤一、将金属壳体与喷管本体进行适配；

其中，所述喷管本体内设置有成型模具；

步骤二、在所述喷管本体的大口径段配合面上粘接生胶片，在所述喷管本体的小口径段配合面上刷涂液体胶粘剂并烘干；

在所述金属壳体的大口径段配合面和所述生胶片外表面刷胶，并在所述金属壳体的小口径段配合面上刷涂液体胶粘剂；

步骤三、通过粘接工装固定所述金属壳体，使所述金属壳体的小口径端朝下；将所述喷管本体与成型模具的组合体的小口径端朝下落入所述金属壳体中，使所述金属壳体的大口径段配合面与所述喷管本体的大口径段配合面匹配粘接，所述金属壳体的小口径段配合面与所述喷管本体的小口径段配合面匹配粘接；

步骤四、对所述金属壳体与所述喷管本体的粘接体进行加热固化；

步骤五、对所述金属壳体与所述喷管本体之间的粘接配合面进行粘接质量检测；

步骤六、根据粘接质量检测结果进行补胶处理。

优选的是，在所述步骤一中，将金属壳体与喷管本体进行适配的方法为：

将所述金属壳体匹配套设在所述喷管本体上，在所述喷管本体的大口径段配合面与所述金属壳体的大口径段配合面之间沿周向均匀间隔放置多个第一垫板；以及

在所述喷管本体的小口径段配合面与所述金属壳体的小口径段配合面之间沿周向均匀间隔放置多个第二垫板；

其中，所述第一垫板的厚度与所述喷管本体的大口径段配合面与所述金属壳体的大口径段之间的粘接间隙相等；所述第二垫板的厚度与所述喷管本体的小口径段配合面与所述金属壳体的小口径段之间的粘接间隙相等；

所述多个第一垫板和所述多个第二垫板均放置完成后，在所述金属壳体和所述喷管本体的对应位置上做好标记，取下所述金属壳体。

优选的是，所述第一垫板和所述第二垫板均采用玻璃钢板。

优选的是，所述生胶片的材质为丁腈橡胶，采用双组份环氧耐高温胶粘剂将所述生胶片粘接在所述喷管本体的大口径段配合面上。

优选的是，在所述步骤二中，在所述喷管本体的小口径段配合面上刷涂液体环氧韧性胶粘剂，并在60℃～80℃下加热30min进行烘干处理后，挑破胶液层的气泡。

优选的是，在对所述金属壳体刷胶前，还包括对所述金属壳体进行预处理，包括如下步骤：

步骤1、对所述金属壳体的大口径段配合面和小口径端配合面分别进行喷砂处理；

步骤2、对喷砂处理的所述金属壳体进行高温除油后，用清洗剂将所述金属壳体内外表面清洗干净；

步骤3、对所述金属壳体进行加热，直到所述金属壳体表面温度均匀，并且所述金属壳体表面温度值均达到130℃±5℃时停止加热。

优选的是，所述金属壳体的大口径段配合面和所述生胶片外表面均刷涂双组份环氧耐高温胶粘剂，在所述金属壳体的小口径段配合面刷涂液体环氧韧性胶粘剂。

优选的是，在所述步骤四中，对所述金属壳体与所述喷管本体的粘接体进行加热固化的温度为150℃±5℃，保温时间为2h。

优选的是，在所述步骤五中，通过气密性检验和无损探伤检验，对粘接质量进行检测；

所述气密性检测，包括如下步骤：

步骤a、将所述金属壳体上的多个螺钉安装孔用橡胶塞全部堵住；

步骤b、取下一个所述螺钉安装孔中的橡胶塞，作为气体注入孔，其余多个螺钉安装孔均为非气体注入孔；并通过压力容器向所述气体注入孔中注入带颜色气体，逐个取下所述非气体注入孔的橡胶塞，观察气体溢出情况；

其中，每取下一个非气体注入孔的橡胶塞后，观察该孔中有无气体溢出；

若无气体溢出，表明该非气体注入孔周围粘接效果良好，则将橡胶塞塞回所述非气体注入孔中，继续检测其他非气体注入孔；

若有气体溢出，则表明气体注入孔与该非气体注入孔之间存在通路、分层或脱粘缺陷，需要进行补胶处理；

按照步骤b中的方法，将所述金属壳体上的每个螺钉孔逐个作为气体注入孔，进行气密性检测，直到所有螺钉安装孔检测完成。

优选的是，在所述步骤六中，根据粘接质量检测结果进行补胶处理，包括：

若气体注入孔与非气体注入孔之间存在粘接缺陷，则通过压力容器向所述气体注入孔与该非气体注入孔同时注入液体胶粘剂；注胶完成后，对气体注入孔与非气体注入孔的胶液进行清理；待胶液固化后，再次进行气密性检测；

若通过所述无损探伤检验方式检测出所述金属壳体与所述喷管本体之间存在粘接缺陷位置，则在所述缺陷位置对应的所述金属壳体外表面居中处开设通孔；用压力容器向所述通孔中注胶后，对溢出胶液进行清理；待胶液固化后，对所述缺陷位置重新进行无损探伤检验。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的正式粘接前适配的方法，能很好的保证上下两处配合面之间的间隙要求。

2.本发明通过在金属壳体的大口径段配合面与所述喷管本体的大口径段配合面之间粘贴生胶片，作为金属壳体与喷管本体大口径段配合面之间的缓冲层，能够降低金属材料与复合材料间因材料性质差异引起的内部应力集中。

3.本发明在对金属壳体粘接前进行加热，利用金属材料热膨胀原理，将受热膨胀的金属壳体与喷管本体粘接，待温度回到室温后，金属壳体收缩恢复至正常状态，使两处粘接配合面贴合的更为紧密，进一步提高粘接质量。

4.本发明在金属壳体粘接过程依靠大尺寸喷管质量大这一特点，采用倒立粘接的方式利用喷管本体加成型模具的重量完成双配合面加压，提高了粘接质量和精度，节省了通用粘接方法中的加压工装制作成本。

5.本发明利用喷管双配合面结构特点，翻转倒立后由重力原因导致胶液流向小锥段配合面，实现胶液蓄积，补偿缺胶分层位置，进一步提高粘接质量。

6.本发明在粘接结束后采用气密性检验和无损探伤检验两种方式对金属壳体与喷管本体粘接配合面进行粘接质量检测，并制定了相应的措施对检验出的缺陷进行补胶处理，保证金属壳体与喷管本体最终粘接可靠。

附图说明

图1为本发明所述的金属壳体与喷管本体粘接位置结构示意图。

图2为本发明所述的金属壳体结构示意图。

图3为本发明所述的大尺寸发动机喷管本体结构示意图。

图4为本发明所述的金属壳体与粘接工装装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供了一种大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，用于粘接具有双配合面的大口径发动机喷管本体及其外侧的金属壳体。

如图1-3所示，大口径发动机喷管本体包括：喉衬1、内烧蚀层2、内隔热层3。大口径发动机喷管的出口端(大口径端)直径为3m～4.5m，高度3.8m～5m，总重量为4t～10t。金属壳体4出口端(小口径端)1.2m～2.8m，高度0.6m～1.3m，质量0.7t～1.5t。金属壳体4与所述喷管本体粘接配合面为双配合面设计，金属壳体上锥段配合面(小口径段配合面)403与所述喷管本体上锥段配合面(小口径段配合面)301的半锥角为0.3°～1.2°，金属壳体下锥段配合面(大口径段配合面)404与所述喷管本体下锥段配合面(大口径段配合面)302的半锥角为20°～28°。金属壳体4与所述喷管本体的粘接操作在内烧蚀层2与内隔热层3成型并且外形面机加工工艺完成后进行。在粘接时，喷管本体依然与模具(喷管内烧蚀层2与内隔热层3成型时所用模具)组合在一起，处于未脱模状态。

下面结合图1-4，对本发明提供的大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，进行详细说明。

一、将金属壳体4与所述喷管本体进行正式粘接前的适配。适配过程中需要保证金属壳体4与所述喷管本体上下两处配合面之间的间隙值满足设计要求，上锥段配合面间隙401范围为0.2mm～0.5mm，下锥段配合面间隙402为0.8mm～1.5mm。适配过程中在金属壳体4与所述喷管本体上下两处配合面之间各垫与间隙值相同厚度的玻璃钢板，来模拟两处配合面间实际粘接时的间隙状态。适配间隙合格后做好标记，记录金属壳体4与所述喷管本体之间的相对位置，取下金属壳体4。

在本实施例中，大尺寸发动机喷管的出口端直径为4m，高度4.5m，总重量为7.5t。金属壳体4出口端直径为2.1m，高度0.85m，质量1.2t。金属壳体4与所述大尺寸发动机喷管本体粘接配合面为双配合面设计，金属壳体上锥段配合面403与所述喷管本体上锥段配合面301的半锥角为0.5°，金属壳体下锥段配合面404与所述喷管本体下锥段配合面302的半锥角为21.5°。上锥段配合面间隙401范围为0.3mm，下锥段配合面间隙402为1.2mm。

通过上述方法进行正式粘接前适配，能很好的保证上下两处配合面之间的间隙要求。

二、在所述喷管本体下锥段配合面302表面刷涂液体胶粘剂，粘接0.8mm～1.2mm厚的丁腈橡胶材质生胶片。在所述喷管本体上锥段配合面301表面刷涂0.2mm～0.5mm厚的液体胶粘剂并烘干，烘干制度为60℃～80℃半小时，烘干后需要挑破胶液层的气泡，防止粘接后出现夹气缺陷。

作为优选，在所述喷管本体下锥段配合面302表面刷涂双组份环氧耐高温胶粘剂；所述生胶片的厚度为1.2mm，在所述喷管本体上锥段配合面301表面刷涂0.3mm厚的液体环氧韧性胶粘剂。

通过在金属壳体的下锥段配合面与所述喷管本体的下锥段配合面之间粘贴生胶片，作为金属壳体与喷管本体下锥段配合面之间的缓冲层，能够降低金属材料与复合材料间因材料性质差异引起的内部应力集中。

三、金属壳体4刷胶前需要进行粘接面喷砂处理，喷砂后在160℃下进行高温除油3小时，除油后用清洗剂将金属壳体4内外表面清洗干净，以保证配合面之间的粘接效果。金属壳体4清洗晾干后，进行高温加热处理，加热过程中用热电偶监测所述金属壳体4表面四处(按四象限分布)温度值，监测温度值均达到130℃±5℃时停止加热，加热结束后马上开始刷胶。

作为优选，金属壳体下锥段配合面404与喷管本体下锥段配合面302粘接生胶片的外表面刷涂双组份环氧耐高温胶粘剂。在金属壳体上锥段配合面403刷涂0.2mm～0.5mm厚的液体环氧韧性胶粘剂。

在本实施例中，在金属壳体上锥段配合面403刷涂0.3mm厚的液体环氧韧性胶粘剂。

其中，液体环氧韧性胶粘剂需要刷至两处配合面交界拐点以下(偏向下锥段配合面302一侧)20mm左右，为适应倒立粘接时胶液回流至上锥段配合面。

通过对金属壳体粘接前进行加热，利用金属材料热膨胀原理，将受热膨胀的金属壳体与喷管本体粘接，待温度回到室温后，金属壳体收缩恢复至正常状态，使两处粘接配合面贴合的更为紧密，进一步提高粘接质量。

四、如图4所示，将刷胶后的所述金属壳体4翻转至倒立状态与已经通过地脚螺栓固定在地面上的所述粘接工装5装配，通过金属壳体4的法兰上端面台阶止口406与粘接工装5的定位内孔502进行配合定位，并用十根螺钉501进行固定，将所述喷管本体与成型模具组合体同样翻转至倒立状态，对准适配时做的标记后落入所述金属壳体4中，下落至上下两处配合面完全贴合后依靠所述喷管本体与成型模具的质量对两处配合面加压完成粘接。由于喷管双配合面结构特点，翻转倒立后由重力原因导致胶液流向小锥段(小口径端)配合面，实现胶液蓄积，补偿缺胶分层位置，有效提高粘接质量。

在金属壳体粘接过程依靠大尺寸喷管质量大这一特点，采用倒立粘接的方式利用喷管本体加成型模具的重量完成双配合面加压，提高了粘接质量和精度，节省了通用粘接方法中的加压工装制作成本。

五、金属壳体4与所述喷管本体粘接后通过加热进行固化，固化加热温度为150℃±5℃，保温时间2小时。

六、固化结束后进行粘接质量检验，通过气密性检验和无损探伤检验两种方式对金属壳体4与所述喷管本体之间的粘接配合面进行粘接质量检测。

1.气密性检验过程为：

1)将金属壳体4外圆周面上预制好的四排螺钉安装孔405用橡胶塞全部堵住；其中，四排螺钉安装孔405在金属壳体4上由上到下间隔布置，每排中的多个螺钉安装孔405沿金属壳体4的圆周方向均匀匀间隔设置。

2)取出四排螺钉安装孔405第一排一个螺钉安装孔中的橡胶塞，向孔中注入压力为0.2MPa的带颜色气体；

3)逐个取下四排螺钉安装孔405中其他螺钉安装孔(未注入气体的螺钉安装孔)的橡胶塞，每取出一个后观察2分钟，目测该(未注入气体的)螺钉安装孔有无带颜色气体溢出：

a.若无气体溢出，则表明此(未注入气体的)螺钉安装孔周围粘接效果良好，确认无误后将橡胶塞塞回孔中，继续检查下一个(未注入气体的)螺钉安装孔；

b.若有气体溢出则表明注入气体的螺钉安装孔与取下橡胶塞的(未注入气体的)螺钉安装孔之间有通路存在，存在分层或脱粘缺陷，需要转下一步进行补胶处理，补胶后将橡胶塞塞回孔中，检查下一个(未注入气体的)螺钉安装孔；

4)将四排螺钉安装孔405中的每个螺钉安装孔逐个作为气体注入孔，按照第2)、3)步的方式进行气密性检验，直到完成所有每个螺钉安装孔的检测。

2.无损探伤检验是通过超声波探伤仪对粘接后的金属壳体4与所述喷管本体之间的粘接配合面进行无损探伤检测，对于检测存在分层或脱粘缺陷的位置需要转下一步进行补胶处理。

七、根据上一步的粘接质量检验结果进行补胶处理：

1.若通过气密性检验检测出两个螺钉孔之间存在通路，则通过压力容器向所述两个螺钉孔中同时注入液体胶粘剂，注胶后对螺钉安装孔中的胶液进行清理，待胶液固化后对所述两个螺钉安装孔重新进行气密性检验，确认无通路后，即完成补胶处理。

2.若通过无损探伤检验方式检测出金属壳体4与所述喷管本体粘接配合面某处存在分层或脱粘缺陷，则在缺陷位置对应的金属壳体4外表面居中处打一个直径

的通孔，打孔后用压力容器将液体胶粘剂注入缺陷位置，注胶后对溢出胶液进行清理，待胶液固化后对所述缺陷位置重新进行无损探伤检验，确认无缺陷后完成补胶处理。

粘接结束后采用气密性检验和无损探伤检验两种方式对金属壳体与喷管本体粘接配合面进行粘接质量检测，并制定了相应的措施对检验出的缺陷进行补胶处理，保证金属壳体与喷管本体最终粘接可靠。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将金属壳体与喷管本体进行适配；

其中，所述喷管本体内设置有成型模具；

步骤二、在所述喷管本体的大口径段配合面上粘接生胶片，在所述喷管本体的小口径段配合面上刷涂液体胶粘剂并烘干；

在所述金属壳体的大口径段配合面和所述生胶片外表面刷胶，并在所述金属壳体的小口径段配合面上刷涂液体胶粘剂；

步骤三、通过粘接工装固定所述金属壳体，使所述金属壳体的小口径端朝下；将所述喷管本体与成型模具的组合体的小口径端朝下落入所述金属壳体中，使所述金属壳体的大口径段配合面与所述喷管本体的大口径段配合面匹配粘接，所述金属壳体的小口径段配合面与所述喷管本体的小口径段配合面匹配粘接；

步骤四、对所述金属壳体与所述喷管本体的粘接体进行加热固化；

步骤五、对所述金属壳体与所述喷管本体之间的粘接配合面进行粘接质量检测；

步骤六、根据粘接质量检测结果进行补胶处理。

2.根据权利要求1所述的大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，其特征在于，在所述步骤一中，将金属壳体与喷管本体进行适配的方法为：

将所述金属壳体匹配套设在所述喷管本体上，在所述喷管本体的大口径段配合面与所述金属壳体的大口径段配合面之间沿周向均匀间隔放置多个第一垫板；以及

在所述喷管本体的小口径段配合面与所述金属壳体的小口径段配合面之间沿周向均匀间隔放置多个第二垫板；

其中，所述第一垫板的厚度与所述喷管本体的大口径段配合面和所述金属壳体的大口径段之间的粘接间隙相等；所述第二垫板的厚度与所述喷管本体的小口径段配合面和所述金属壳体的小口径段之间的粘接间隙相等；

所述多个第一垫板和所述多个第二垫板均放置完成后，在所述金属壳体和所述喷管本体的对应位置上做好标记，取下所述金属壳体。

3.根据权利要求2所述的大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，其特征在于，所述第一垫板和所述第二垫板均采用玻璃钢板。

4.根据权利要求3所述的大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，其特征在于，所述生胶片的材质为丁腈橡胶，采用双组份环氧耐高温胶粘剂将所述生胶片粘接在所述喷管本体的大口径段配合面上。

5.根据权利要求3或4所述的大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，其特征在于，在所述步骤二中，在所述喷管本体的小口径段配合面上刷涂液体环氧韧性胶粘剂，并在60℃～80℃下加热30min进行烘干处理后，挑破胶液层的气泡。

6.根据权利要求5所述的大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，其特征在于，在对所述金属壳体刷胶前，还包括对所述金属壳体进行预处理，包括如下步骤：

步骤1、对所述金属壳体的大口径段配合面和小口径端配合面分别进行喷砂处理；

步骤2、对喷砂处理的所述金属壳体进行高温除油后，用清洗剂将所述金属壳体内外表面清洗干净；

步骤3、对所述金属壳体进行加热，直到所述金属壳体表面温度均匀，并且所述金属壳体表面温度值均达到130℃±5℃时停止加热。

7.根据权利要求6所述的大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，其特征在于，所述金属壳体的大口径段配合面和所述生胶片外表面均刷涂双组份环氧耐高温胶粘剂，在所述金属壳体的小口径段配合面刷涂液体环氧韧性胶粘剂。

8.根据权利要求7所述的大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，其特征在于，在所述步骤四中，对所述金属壳体与所述喷管本体的粘接体进行加热固化的温度为150℃±5℃，保温时间为2h。

9.根据权利要求8所述的大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，其特征在于，在所述步骤五中，通过气密性检验和无损探伤检验，对粘接质量进行检测；

所述气密性检测，包括如下步骤：

步骤a、将所述金属壳体上的多个螺钉安装孔用橡胶塞全部堵住；

步骤b、取下一个所述螺钉安装孔中的橡胶塞，作为气体注入孔，其余多个螺钉安装孔均为非气体注入孔；并通过压力容器向所述气体注入孔中注入带颜色气体，逐个取下所述非气体注入孔的橡胶塞，观察气体溢出情况；

其中，每取下一个非气体注入孔的橡胶塞后，观察该孔中有无气体溢出；

若无气体溢出，表明该非气体注入孔周围粘接效果良好，则将橡胶塞塞回所述非气体注入孔中，继续检测其他非气体注入孔；

若有气体溢出，则表明气体注入孔与该非气体注入孔之间存在脱粘缺陷，需要进行补胶处理；

按照步骤b中的方法，将所述金属壳体上的每个螺钉孔逐个作为气体注入孔，进行气密性检测，直到所有螺钉安装孔检测完成。

10.根据权利要求9所述的大尺寸发动机喷管双配合面金属壳体粘接方法，其特征在于，在所述步骤六中，根据粘接质量检测结果进行补胶处理，包括：

若气体注入孔与非气体注入孔之间存在粘接缺陷，则通过压力容器向所述气体注入孔与该非气体注入孔同时注入液体胶粘剂；注胶完成后，对气体注入孔与非气体注入孔的胶液进行清理；待胶液固化后，再次进行气密性检测；

若通过所述无损探伤检验方式检测出所述金属壳体与所述喷管本体之间存在粘接缺陷位置，则在所述缺陷位置对应的所述金属壳体外表面居中处开设通孔；用压力容器向所述通孔中注胶后，对溢出胶液进行清理；待胶液固化后，对所述缺陷位置重新进行无损探伤检验。

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