中國(guó)首臺(tái)火箭用攪拌摩擦焊機(jī)交付 技術(shù)國(guó)際先進(jìn)

提起火箭貯箱總對(duì)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(jiàn)到了。”中國(guó)航天科技集團(tuán)公司首席工藝專(zhuān)家、集團(tuán)公司八院149廠(chǎng)總工程師兼副廠(chǎng)長(zhǎng)郭立杰感慨地說(shuō)。

近日，我國(guó)首臺(tái)大型環(huán)縫總對(duì)接攪拌摩擦焊接裝備在中國(guó)航天科技集團(tuán)公司八院149廠(chǎng)完成研制，并交付車(chē)間使用。該裝備可在同一工位實(shí)現(xiàn)大型火箭貯箱多節(jié)筒段與箱底的裝夾運(yùn)動(dòng)、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(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭貯箱全攪拌摩擦焊提供了先進(jìn)可靠、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵高端裝備。

高端裝備自主化

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

“這就是目前國(guó)內(nèi)第一臺(tái)可實(shí)現(xiàn)火箭貯箱總對(duì)接環(huán)縫攪拌摩擦焊接、第一臺(tái)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(guó)、日本等工業(yè)先進(jìn)國(guó)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(guó)家得到工業(yè)應(yīng)用。

我國(guó)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(jìn)國(guó)家較晚，但差距并不大。在新一代運(yùn)載火箭研制需求牽引下，經(jīng)過(guò)多年的努力，149廠(chǎng)和211廠(chǎng)逐步探索出部分?jǐn)嚢枘Σ梁秆b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(chē)輛等行業(yè)。

今年4月，該廠(chǎng)已成功用這臺(tái)裝備焊接了直徑3.35米的運(yùn)載火箭貯箱試驗(yàn)件。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)熔焊相比，該試驗(yàn)件焊接變形明顯減小，無(wú)焊接缺陷，焊接過(guò)程中沒(méi)有弧光、輻射和金屬蒸發(fā)，真正實(shí)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(jiǎn)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(chǎng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員細(xì)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(huì)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(shí)間，對(duì)多個(gè)800毫米直徑的縮比試驗(yàn)件進(jìn)行了試驗(yàn)摸索。

設(shè)計(jì)人員最終創(chuàng)新研發(fā)出“外夾內(nèi)撐”式裝夾機(jī)構(gòu)，同時(shí)，支撐機(jī)構(gòu)中的拉緊機(jī)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(jiǎn)易、對(duì)零件狀態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)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(duì)接間隙滿(mǎn)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(diǎn)留下了一個(gè)孔，這個(gè)孔必須收掉。“國(guó)外普遍采用塞焊的方式實(shí)現(xiàn)收孔，但可以有更合適的方法。”郭立杰說(shuō)。為解決這個(gè)問(wèn)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(jī)帶動(dòng)攪拌針轉(zhuǎn)動(dòng)、回抽電機(jī)帶動(dòng)攪拌針變化伸出部分的長(zhǎng)短，以此消除“匙孔”。此項(xiàng)技術(shù)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

目前，國(guó)外同類(lèi)設(shè)備焊接軸大都在機(jī)床9點(diǎn)方向。該廠(chǎng)設(shè)計(jì)人員通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，攪拌頭在這個(gè)位置上焊接，設(shè)備會(huì)出現(xiàn)一定移動(dòng)現(xiàn)象。他們創(chuàng)新出12點(diǎn)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(hù)有更多的選擇。”郭立杰說(shuō)。

汗水澆灌研發(fā)路

誰(shuí)能想到，取得如此多成績(jī)的背后，竟是一個(gè)平均年齡不到30歲的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。他們中的很多人一畢業(yè)就來(lái)到149廠(chǎng)參與到項(xiàng)目中。在這個(gè)項(xiàng)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(jìn)。”據(jù)喬汝旺介紹，去年五一期間是完成設(shè)計(jì)圖紙最關(guān)鍵時(shí)期，設(shè)計(jì)人員一天都沒(méi)休息。當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)畫(huà)圖的嚴(yán)軍富想請(qǐng)一天假，回寧波老家辦婚禮，卻遲遲說(shuō)不出口。當(dāng)負(fù)責(zé)人知道后，給他批了三天假，他回來(lái)后主動(dòng)加班到很晚。“一生中能有機(jī)會(huì)做這樣一次大的項(xiàng)目，對(duì)我一生的職業(yè)生涯都是很大的激勵(lì)。”嚴(yán)軍富說(shuō)。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的技術(shù)人員都是身兼三職：設(shè)計(jì)員、工藝員和現(xiàn)場(chǎng)工程師，自己出圖，與加工人員一起，現(xiàn)場(chǎng)解決設(shè)計(jì)、材料、工藝和加工等問(wèn)題。他們白天忙碌在各個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，晚上回到辦公室畫(huà)圖，休息日共同開(kāi)展“頭腦風(fēng)暴”。

在外支撐方案論證階段，國(guó)內(nèi)很難找到研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(jī)床。研發(fā)團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了拉網(wǎng)式搜索，最終在沈陽(yáng)找到一家機(jī)床廠(chǎng)，但他們一個(gè)圓盤(pán)的開(kāi)價(jià)就是數(shù)百萬(wàn)元。設(shè)計(jì)人員不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，多次與工廠(chǎng)相關(guān)專(zhuān)家和負(fù)責(zé)人溝通，最終談定的價(jià)格還不到原來(lái)的三分之一。

運(yùn)載火箭貯箱總對(duì)接環(huán)縫攪拌摩擦焊設(shè)備研制成功，是該廠(chǎng)在航天高端裝備制造道路上的一個(gè)里程碑節(jié)點(diǎn)。“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(shuō)，“波音、SpaceX等公司的同類(lèi)設(shè)備是依托外部專(zhuān)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(huì)比國(guó)外做得更經(jīng)濟(jì)、更實(shí)用。”