中國首臺火箭用攪拌摩擦焊機交付 技術(shù)國際先進

提起火箭貯箱總對接環(huán)縫的焊接，很容易聯(lián)想到一群工人拖著大筒段在不同工位間不停地忙碌。“不久后，這樣的一幕將很難再見到了。”中國航天科技集團公司首席工藝專家、集團公司八院149廠總工程師兼副廠長郭立杰感慨地說。

近日，我國首臺大型環(huán)縫總對接攪拌摩擦焊接裝備在中國航天科技集團公司八院149廠完成研制，并交付車間使用。該裝備可在同一工位實現(xiàn)大型火箭貯箱多節(jié)筒段與箱底的裝夾運動、端面銑削、支撐定位、攪拌摩擦焊接和質(zhì)量監(jiān)控等，總體性能和技術(shù)指標(biāo)達到國際先進水平，為實現(xiàn)運載火箭貯箱全攪拌摩擦焊提供了先進可靠、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵高端裝備。

高端裝備自主化

走進149廠焊接現(xiàn)場，一臺20多米長的龐然大物赫然出現(xiàn)在眼前：左側(cè)是新一代運載火箭的貯箱，3個筒段已經(jīng)完成環(huán)縫焊接；右側(cè)是內(nèi)支撐，是一個像傘一樣可以分16個弧面不同程度收縮的“轱轆”；中間則是一個車裝焊一體化的龍門式機床，配有焊接主軸、外夾盤、壓力和溫度監(jiān)測裝置、攝像頭等，堪稱巨型設(shè)備與精密儀器的完美結(jié)合。

“這就是目前國內(nèi)第一臺可實現(xiàn)火箭貯箱總對接環(huán)縫攪拌摩擦焊接、第一臺集成多種多功能、體積最大的攪拌摩擦焊接裝備。”據(jù)航天工程裝備（蘇州）有限公司副總經(jīng)理喬汝旺介紹，在美國、日本等工業(yè)先進國家，攪拌摩擦焊技術(shù)已逐步替代了以往的熔焊工藝，航天大型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的銑削、裝夾、焊接一體化數(shù)控復(fù)合加工技術(shù)與裝備首先是在這些國家得到工業(yè)應(yīng)用。

我國攪拌摩擦焊技術(shù)研究及裝備研制盡管起步比一些工業(yè)先進國家較晚，但差距并不大。在新一代運載火箭研制需求牽引下，經(jīng)過多年的努力，149廠和211廠逐步探索出部分攪拌摩擦焊裝備和工藝，在火箭貯箱筒段縱縫、箱底縱縫和環(huán)縫以及其他一些航天產(chǎn)品上得到了應(yīng)用，并成功推廣到電子、電力、船舶、鐵道車輛等行業(yè)。

今年4月，該廠已成功用這臺裝備焊接了直徑3.35米的運載火箭貯箱試驗件。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)熔焊相比，該試驗件焊接變形明顯減小，無焊接缺陷，焊接過程中沒有弧光、輻射和金屬蒸發(fā)，真正實現(xiàn)了高質(zhì)量、綠色環(huán)保制造。

功能集成創(chuàng)新多

“它并不是簡單的功能集成和設(shè)備放大，而是使用了很多新技術(shù)、新材料、新工藝和新裝置。”該廠項目團隊成員細數(shù)道，“其中最關(guān)鍵的是高精度裝配技術(shù)。”

由于攪拌摩擦焊接產(chǎn)生的頂鍛力會使焊接工件發(fā)生偏移和變形，如何在幾噸力的作用下，使工裝仍然保持足夠的剛性是設(shè)備制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。為此，研發(fā)人員花了半年的時間，對多個800毫米直徑的縮比試驗件進行了試驗摸索。

設(shè)計人員最終創(chuàng)新研發(fā)出“外夾內(nèi)撐”式裝夾機構(gòu)，同時，支撐機構(gòu)中的拉緊機構(gòu)還能產(chǎn)生一定范圍的側(cè)向拉力以拉緊待焊的焊縫。該工裝安裝簡易、對零件狀態(tài)適應(yīng)性強，實現(xiàn)了大型環(huán)縫攪拌摩擦焊的有效背部支撐，保證了工件圓度和焊前對接間隙滿足攪拌摩擦焊工藝要求。

焊接完成后，焊接主軸在焊縫的終點留下了一個孔，這個孔必須收掉。“國外普遍采用塞焊的方式實現(xiàn)收孔，但可以有更合適的方法。”郭立杰說。為解決這個問題，他們創(chuàng)新研制出具備電伺服回抽功能的攪拌摩擦焊電主軸；電主軸電機帶動攪拌針轉(zhuǎn)動、回抽電機帶動攪拌針變化伸出部分的長短，以此消除“匙孔”。此項技術(shù)達到了國際領(lǐng)先水平。

目前，國外同類設(shè)備焊接軸大都在機床9點方向。該廠設(shè)計人員通過仿真發(fā)現(xiàn)，攪拌頭在這個位置上焊接，設(shè)備會出現(xiàn)一定移動現(xiàn)象。他們創(chuàng)新出12點方向的方案。“我們希望能總結(jié)出更好的技術(shù)，研制出更多不同設(shè)備，讓客戶有更多的選擇。”郭立杰說。

汗水澆灌研發(fā)路

誰能想到，取得如此多成績的背后，竟是一個平均年齡不到30歲的研發(fā)團隊。他們中的很多人一畢業(yè)就來到149廠參與到項目中。在這個項目上，他們傾注了太多的心血。

“他們并不只做自己職責(zé)范圍內(nèi)的工作，而是全程跟進。”據(jù)喬汝旺介紹，去年五一期間是完成設(shè)計圖紙最關(guān)鍵時期，設(shè)計人員一天都沒休息。當(dāng)時負責(zé)畫圖的嚴軍富想請一天假，回寧波老家辦婚禮，卻遲遲說不出口。當(dāng)負責(zé)人知道后，給他批了三天假，他回來后主動加班到很晚。“一生中能有機會做這樣一次大的項目，對我一生的職業(yè)生涯都是很大的激勵。”嚴軍富說。

項目團隊的技術(shù)人員都是身兼三職：設(shè)計員、工藝員和現(xiàn)場工程師，自己出圖，與加工人員一起，現(xiàn)場解決設(shè)計、材料、工藝和加工等問題。他們白天忙碌在各個生產(chǎn)現(xiàn)場，晚上回到辦公室畫圖，休息日共同開展“頭腦風(fēng)暴”。

在外支撐方案論證階段，國內(nèi)很難找到研發(fā)團隊所需的大型的鍛件，也很少有企業(yè)有相應(yīng)的大型螺旋槽加工機床。研發(fā)團隊展開了拉網(wǎng)式搜索，最終在沈陽找到一家機床廠，但他們一個圓盤的開價就是數(shù)百萬元。設(shè)計人員不斷優(yōu)化設(shè)計方案，多次與工廠相關(guān)專家和負責(zé)人溝通，最終談定的價格還不到原來的三分之一。

運載火箭貯箱總對接環(huán)縫攪拌摩擦焊設(shè)備研制成功，是該廠在航天高端裝備制造道路上的一個里程碑節(jié)點。“盡管這條道路走得并不順暢，現(xiàn)在的設(shè)備還有一些需要完善和優(yōu)化的地方。”郭立杰介紹說，“波音、SpaceX等公司的同類設(shè)備是依托外部專業(yè)公司力量完成的。作為航天人，自己用的高端制造裝備，只要我們用心做，就肯定能做成，而且一定會比國外做得更經(jīng)濟、更實用。”