[發明專利]一種用于航天飛行器外貯箱網格壁板的快速制造方法

有效

• 申請號: 201310664866.8
• 申請日: 2013-12-09
• 公開（公告）號: CN103639668A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 胥妍;楊新岐
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B23P15/00
• 分類號: B23P15/00;B23K20/12
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

技術領域

本發明屬于航空航天鋁合金結構制造領域，具體講是指航天飛行器外貯箱結構的帶網格狀加筋條壁板構件，即網格壁板的一種增材-局部銑切的快速制造方法。

背景技術

外貯箱結構是大型運載火箭的重要組成部分，其主要部分是由鋁合金壁板經過卷曲焊接形成的圓柱型筒箱容器。由于外貯箱不僅承載助推劑，也是軌道器的支撐和連接機構，因此其箱壁在滿足裝載密封性的前提下，還必須具有較高的強度以面對惡劣的工作環境。增加壁板厚度固然能增高強度，但這也直接影響了運載火箭的重量。為了保證外儲箱的工作強度，并盡量減輕運載火箭的總重量，外儲箱壁板必須采用帶有交叉網格狀加筋條的網格壁板來加工制造。

由于外貯箱尺寸較大（長度可達10m，最大超過40米，直徑超過8m），現有的對于網格壁板的加工技術主要為減材加工制造方法：即在較厚的鋁板上，根據網格加筋條的分布形式和形狀，采用減材加工方法在網格內部去除多余材料，使得厚鋁板在一面或兩面形成帶有網格狀加筋條的網格壁板結構。目前在航天結構制造領域采用的減材加工方法主要有化學銑切和機械銑切兩種加工方式。

化學銑切的加工原理是利用一定濃度的NaOH堿溶液與Al發生化學反應，通過控制過程的側切率（腐蝕速度和垂直于表面的腐蝕速度之比）來獲得合適的加筋肋條寬度。化銑的一般工藝流程是：去包鋁層-涂覆保護膠-固化-化銑樣板刻型-化銑-熱水洗-出光-冷水洗-去保護膠-成品檢驗。浸于化銑槽中的壁板零件一般高度為1.5m，因此化銑槽體積也較大，在化銑過程中，很難在這樣大的空間內保證化銑液的濃度均勻，因此難免會產生由濃度、溫度梯度造成的“錐度化銑”，導致壁板厚度不均勻。由此也可看出，化銑很難保證壁板的表面粗糙度，需要大量后續加工，這在一定程度上又增加了生產周期。化學銑切加工造成了大批鋁合金板材的浪費，生產如此龐大的外儲箱壁板必然需要大量的化銑液，這也產生了大量的廢液污染環境、且生產效率低，這不論對于經濟性還是環境保護都是一個巨大的難題。

機械銑切相對于化學銑切來講，有加工精度高，剩余壁厚易控制等優點，該項技術在國外應用較常見，目前國內也有部分運用。然而，機械銑切也面臨著許多問題。由于外儲箱屬于大型零件，現有的設備能力和工藝水平很難滿足其加工要求。壁板上需要銑切的部分的面積和深度都較大，銑刀需要在板材中經過類似于螺旋繞行的方式，才能得到大尺寸的網格結構。鋁合金又屬于輕質剛性較差的材料，因此在加工過程中很容易造成材料的變形和應力分布不均勻現象，導致筋條尺寸不一，嚴重影響到后續加工精度。在長時間的高速切削過程中，鋁合金極易產生積屑瘤，妨礙刀頭散熱，影響加工效率。為了保證加強筋條與壁板間支撐的可靠性，對于支撐根部需要加工小半徑的圓弧以防止應力集中，這時切削工具的可達性以及加工精度也是需要考慮的重要問題。

攪拌摩擦焊技術是英國焊接研究所于1991年發明的一種新型固相連接方法，最開始運用于輕質金屬如鋁合金，鎂合金和鈦合金等對接接頭，如今該項技術已經廣泛應用于搭接和T型接頭中。異種鋁鎂合金，同系列不同牌號的鋁合金之間的連接也可以通過攪拌摩擦焊來實現。由于這些輕質合金具有熱導率高，比熱大及易氧化的特點，運用傳統的熔化焊方法焊接時常會產生熱量散失快，變形大，并且極容易形成金屬氧化物造成焊縫與木材連接處強度降低，氣孔和難融合等缺陷。對于2xxx,7xxx系列鋁合金甚至會產生不可焊的問題。而攪拌摩擦焊則很好的解決了這些難題，同傳統焊接方法相比，其具有以下優點：

（1）由于攪拌頭的機械作用，被焊工件表面氧化層被攪動打碎，使焊前準備工作量大大降低。

（2）焊接過程在塑性溫度進行，低于材料熔點。焊接過程沒有飛濺和煙塵，焊縫成形優良，這極大改善了焊接條件。較低的焊接溫度也使得被焊工件基本沒有發生變形，節省了焊后矯形的步驟，保證了加工尺寸精度。

（3）焊縫組織在熱和力的共同作用下發生動態再結晶，該結構具有化學成分均勻，力學性能優良的特點。這不僅保證了與母材的等強匹配，也降低了由于組織不均勻可能造成的應力腐蝕危害。

（4）攪拌摩擦焊方便實現自動化焊接，在提高焊接生產效率的同時也能保證大批量焊接成品的質量可靠性。而通過改進工作臺，一次性可完成50m長的焊縫。攪拌摩擦焊在焊接大截面，大尺寸的工件上體現了明顯優勢。

（5）許多攪拌摩擦焊設備是在立式龍門銑床基礎上改造的，因此在同一工作平臺上完成焊接與機械加工也是可行的，這就節省了工裝夾具的制造開支。

目前攪拌摩擦焊在鋁合金結構制造中已獲得廣泛應用，但尚未見到攪拌摩擦加工方法應用于航天飛行器外貯箱網格壁板制造中。