运载火箭箱底搅拌摩擦焊设备特性与应用

4.2.5.1　三维搅拌摩擦焊设备概述

国外运载火箭在涉及大型结构件焊接制造上，主要的发展趋势是主结构焊缝全部采用搅拌摩擦焊进行制造。基于搅拌摩擦焊技术在焊接质量、节能减排、减重（提高运载器燃料利用率）等方面的优势，搅拌摩擦焊在大型密封结构的制造上全面取代传统的电弧熔焊，这是上述结构制造技术的发展方向。

在美国、日本等发达国家，目前基本实现了以运载火箭推进剂贮箱为代表的大型密封结构搅拌摩擦焊制造。在航天制造领域，美国的航天企业在搅拌摩擦焊的应用方面同样走在了世界前列。美国搅拌摩擦焊箱底如图4-91所示；美国箱底双工位搅拌摩擦焊如图4-92所示。

搅拌摩擦焊优异的焊缝质量使得其在航天关键构件的制造中具有重要地位，该项技术的应用极大提高了构件的可靠性，并且在航天器减重、研制周期、制造成本上具有一系列优势。可以预见的是，搅拌摩擦焊将在航天领域中获得进一步的应用。

图4-91　美国搅拌摩擦焊箱底

图4-92　美国箱底双工位搅拌摩擦焊

我国火箭箱底主要由顶盖、瓜瓣、法兰、型材框等零件焊接组成，具有厚度薄、刚度差、结构尺寸大等特点，多采用2000 （2219、 2A14等）系列高强铝合金材料，焊接厚度范围4～12 mm，箱底直径范围2250～3800 mm。一个箱底通常由6块瓜瓣、一个顶盖和一个型材框和若干个法兰组成，焊接时首先进行6块瓜瓣的拼焊形成圆环，然后再分别与顶盖和型材框进行焊接，形成整个箱底；箱底上平法兰的焊接拟采用搅拌摩擦焊接方法，为三维空间曲线焊接，箱底搅拌摩擦焊接焊缝如图4-93所示。所有焊缝均要满足Q/Rz 283.1搅拌摩擦焊技术条件的Ⅰ级焊缝要求。

综上，大型运载火箭箱底搅拌摩擦焊接主要包括：箱底平法兰焊接（三维空间曲线）、瓜瓣纵缝焊接、圆环与顶盖环缝焊接、圆环与型材框环缝焊接。其中，除瓜瓣纵缝焊接外，其余焊缝均为环缝，因此要求设备具有无匙孔回抽焊接功能，具备法兰焊缝的三维空间曲线焊接功能，同时还需要配备在线铣削功能。

图4-93　大型火箭箱底搅拌摩擦焊焊缝示意图

现有搅拌摩擦焊装备对于对标贮箱箱底焊接，目前尚需要完善的方面包括：

（1）现有技术主要针对二维曲线焊缝，对三维曲线焊缝的搅拌摩擦焊过程尚不涉及；

（2）现有环缝焊接技术制造能力不足，无法支撑燃料贮箱箱底环缝焊接；

（3）为实现贮箱箱底全搅拌摩擦焊制造，除瓜瓣纵缝焊接外，其余焊缝均为环缝，因此要求设备主轴具有双旋转无匙孔回抽焊接功能。

综上所述，以上研制的设备能够解决上述问题，且与“04专项”已支持的贮箱总对接车装焊一体化数控复合加工装备及上海航天设备制造总厂现有的筒段纵缝搅拌摩擦焊设备，将建立国内首条大型运载火箭贮箱搅拌摩擦焊生产线，在航天大型结构件焊接制造领域具有重大典型示范意义。

4.2.5.2　三维搅拌摩擦焊设备研制

1）大跨度床身轻量化设计

以燃料贮箱箱底为研究对象，基于最大受载状态下结构刚性分析，确定大型火箭箱底空间曲线搅拌摩擦焊装备主体结构形式，初步拟用动梁动龙门定工作台床身结构。根据焊接对象尺寸、焊接压力以及焊接速度，确定床身的各轴行程，设计动梁动龙门五轴床身各传动系统，开展五轴联动搅拌摩擦焊装备结构总体仿真优化设计，通过五轴联动搅拌摩擦焊装备的运动部件和机体结构的动力学研究，为大型构件的设计提供理论依据、刚度数值模拟和频率响应分析，优化结构刚度设计，进行轻量化设计。运载火箭箱底空间三维曲线搅拌摩擦焊设备方案如图4-94所示；运载火箭箱底搅拌摩擦焊设备总体设计流程如图4-95所示。

图4-94　运载火箭箱底空间三维曲线搅拌摩擦焊设备方案图

图4-95　运载火箭箱底搅拌摩擦焊设备总体设计流程图

随着加工技术的发展，机床结构件的轻量化受到越来越多的关注，现多集中与结构件的筋板设计，如优化结构参数、改进结构形式和替换传统材料等，并广泛采用计算机仿真、建模、分析软件。以大型运载火箭箱底空间曲线搅拌摩擦焊设备动梁动龙门床身模型为输入，拟采用CAE有限元分析软件平台开展大型运载火箭箱底空间曲线搅拌摩擦焊设备结构基于最大受载状态下的结构刚性分析，通过对大型运载火箭箱底空间曲线搅拌摩擦焊设备的运动部件和机体结构的动力学研究，为大型构件在优化结构刚度设计和传统材料替换等方面的优化设计提供理论依据，实现设备的轻量化设计。

2）高精度重载AC摆设计

针对搅拌摩擦焊装备焊接过程中大载荷工况特征，传统的AC摆传动结构无法满足实际需求。进行重载大扭矩AC摆传动设计，采用电机+减速机+蜗轮蜗杆传动方式，采用环形滑动灌胶导轨技术替代传统的轴承承载形式，大幅度降低机加工难度，提高AC摆传动系统的承载能力，承受扭矩可达15000N·m，以满足焊接过程中承载力大、扭矩高的要求，保证焊接过程的稳定性和安全性。

重载大扭矩AC摆为箱底五轴联动设备的焊接功能主要执行机构，具有结构紧凑、动态刚性好等特点，适合搅拌摩擦焊接过程的重载要求。主要功能包括：

（1）具有A轴摆动功能，是实现瓜瓣焊接时的焊接轨迹运动最重要的运动轴；

（2）具有C轴回转运动，在法兰焊接时与A轴配合实现焊接工作；

（3）主机头为电主轴结构，能够实现2～12 mm铝合金回抽焊接；

（4）主机头具备焊接铣削双功能，通过更换刀柄及刀具实现两种加工功能转换。

图4-96　重载主轴

3）重载主轴优化设计(www.xing528.com)

压力、前进抗力与转速是焊接主机头结构设计的三个重要参考指标。主轴最大转速1500 r/min、焊接压力≥3000 kg，最大焊接速度1000 mm/min，焊接最大厚度12 mm。常规的重载主轴结构复杂，体积大，针对搅拌摩擦焊接的工况特征，采用电主轴结构，如图4-96所示，对重载主轴进行结构轻量化和承载力优化设计。同时，设计了电伺服回抽系统，实现了封闭曲线的无匙孔焊接。

4）柔性自动化焊接夹具设计

开发的柔性自动化焊接夹具，在工作台上放置两个工位，并且同一工位可以实现铣削和焊接两种工序的切换。铣削和焊接共用一个模胎，装配精度高，能够达到装配间隙≤0.5 mm，装配阶差≤0.1 mm的要求。箱底型材焊接前要对侧边进行铣削，侧边应留有铣削空间；搅拌摩擦焊接压力大，焊缝背部应具有高刚性支撑能力。柔性自动化焊接夹具包括平焊法兰焊接夹具、瓜瓣纵缝焊接夹具、上环缝焊接夹具、下环缝焊接夹具。拟采用胎膜贴合提供背部支撑，气缸实现各个焊缝的压紧。各个焊接夹具方案示意如图4-97所示。

图4-97　柔性自动化焊接夹具

5）控制系统设计

根据系统要求，为保证系统的稳定性和可靠性，拟采用五轴联动数控系统控制整套设备，开展多轴控制技术研究，整套控制系统包含动梁动龙门床身子系统、重载大扭矩AC摆主机头系统、液压系统、焊接夹具逻辑控制系统、恒压力控制系统、工艺数据库、中央控制系统及其人机交互界面等，如图4-98所示。整个系统通过中央控制系统综合各子系统信息进行处理和调度，整个系统采用Prof inet工业以太网总线，保证系统实时性。

图4-98　模拟数控系统外观

通过专用人机操作界面的开发，用户只须在界面窗口输入不同产品的焊接参数，即可实现产品的全自动化焊接。可在专用界面上实时进行焊接压力监测和焊接扭矩读取，实现过程监测，优化参数的控制系统，形成运载火箭箱底空间曲线340搅拌摩擦焊工艺数据库，如图4-99、图4-100所示。

6）复杂空间三维曲线恒压力控制技术研究

搅拌摩擦焊接过程中顶锻力是影响焊接质量的重要因素，如何控制焊接过程中的顶锻力，从而达到控制焊缝质量是所要解决的难题。主机头集成力学传感器技术解决焊接恒压力位移测试问题。在焊接主机头上集成力学传感器，通过实时采集力传感器测量的轴向力信号，再进行理论计算得到轴向顶锻力数据，这一数据将作为CNC系统力/位置控制模块的力反馈信号。在使用时首先设定好位移控制的范围，在位移的范围内实时进行的焊接恒压力控制，以满足焊缝的焊接质量。

生产过程中，由于工件加工、工装装夹等客观存在的误差，导致工件在焊缝点法向实际位置与理论不一致，焊接表面起伏不平，偏差存在很大的不确定性是随机量，该随机误差可能会导致焊缝出现缺陷，影响产品的质量。传统的解决方法是通过操作者用眼睛观察焊接时的飞边量来调整焊接搅拌头的上下修正，误差大，对操作者的经验依赖性强，自动化程度低。

图4-99　运载火箭箱底三维曲线搅拌摩擦焊工艺数据库1

图4-100　运载火箭箱底三维曲线搅拌摩擦焊工艺数据库2

（1）基于智能算法的动态焊接过程空间曲线法向自适应控制研究。

针对焊接过程强非线性特点，重点研究面向复杂空间曲线法向位移量检测与智能控制方法，以提高控制系统的实时性和鲁棒性。拟采用五轴虚拟Z轴进行焊接工艺参数实时补偿控制。通过在设备上安装压力传感器，在焊接时，压力传感器能实时的反馈当前受到的压力，利用PID控制算法，根据压力偏差量Δ得到一个调节量ω。在通过PID控制算法得到调节量ω后，根据调节量ω实时调节焊点法向位移量，达到自适应控制。

（2）搅拌摩擦焊恒压力自适应控制平台软件开发。

研究并制定总体架构、主要功能模块人机界面设计、力传感器与数控焊接设备间信息通信与集成、焊接力实时动态显示与处理、焊接过程动态模型建立与实现、主轴恒压力控制算法与实现、恒压力控制性能评价、焊接工艺数据库建立与维护、系统总成与测试，实现搅拌摩擦焊恒压力自适应控制与设备中央控制系统的集成。

（3）搭建恒压力功能试验验证装置。

为了保证方案更可行，搭建恒压力功能试验验证装置，设备具备搅拌摩擦焊接设备基本功能，即焊接前进功能、主轴下压功能、主轴旋转功能，如图4-101所示。将压力测试元件安装在主机头上，进行焊接试验，测试焊接过程中的压力，初步解决恒压力监测和控制方式问题。

图4-101　功能样机

7）装备健康状态监测与故障诊断系统

大型火箭箱底空间曲线搅拌摩擦焊设备具有工作载荷大、装备自由度多等特点，焊接装备出现问题时难以及时发现，而装备的健康状态直接关系到焊缝质量及焊接成品率。因此需要基于搅拌摩擦焊装备相应特征及焊接过程信号特征分析，建立装备故障诊断及状态实时监测系统，确保焊接质量的稳定性，如图4-102所示。针对所研制的搅拌摩擦焊装备开展动静刚性研究，重点分析设备焊接主轴在大载荷工作条件下的动刚性特征。结合被动响应与主动激发特征分析，获得装备在不同工作条件下的动态响应特征，并在此基础上建立搅拌摩擦焊装备故障诊断方法。结合前述研究工作，开展搅拌摩擦焊接过程温度、扭矩、压力等过程信号采集与综合分析技术研究，通过对过程信号的分析，实现焊接状态的实时监测，确保焊接质量的稳定。

图4-102　搅拌摩擦焊接过程状态信息多维表征系统图

4.2.5.3　箱底搅拌摩擦焊设备工艺验证

大型火箭箱底空间三维曲线搅拌摩擦焊设备，以典型的火箭贮箱箱底为对象，开展大型火箭箱底空间曲线搅拌焊设备及其关键技术规模化验证与应用，使用国产装备实现航天产品柔性、自动、高效和高质量生产，在航天产品制造领域为专项成果形成了跨越式、规模化应用示范。

进行φ 3350 mm火箭箱底验证件的生产，首先是瓜瓣上平法兰三维空间曲线焊缝的搅拌摩擦焊接并对焊缝进行表面着色和X射线无损检测，要求其满足Q/RJ283.1规定Ⅰ级焊缝要求，然后进行瓜瓣纵缝的拼接，其中涉及了在同一工位上瓜瓣的余量铣削和焊接，之后分别进行圆环/顶盖、圆环/型材框环缝的焊接，焊缝要求与瓜瓣纵缝相同，焊接之后均要进行表面着色和X射线无损检测。

焊接完成后，进一步对φ3350 mm运载火箭贮箱箱底验证件进行组件试验考核，包括箱底液压强度、气密以及氦质谱检漏等试验，完成大型火箭箱底空间曲线搅拌摩擦焊的全面检测，最终形成国产大型运载火箭箱底空间曲线搅拌摩擦焊接装备在航天领域的典型应用示范。

设备可靠性方面，通过研究设备设计阶段可靠性分析、设备制造阶段可靠性以及使用阶段可靠性来保证机床装备的可靠性。设计阶段的可靠性分析包括设备设计定性DFMEA分析、设备设计定性FTA分析以及设备设计的可靠性指标分配。制造阶段可靠性包括完备的装配工艺流程标准制定、细化的装配过程质量检验指标要求以及关键部件的外协加工质量控制。使用阶段可靠性保障包括机床精度可靠性自诊断系统、加工过程智能化监控系统以及预报、诊断、维护技术系统。开展专用可靠性自诊断系统，实现装备运行精度的快速自动诊断与校准补偿。