火箭发动机是火箭最重要的组部件,有火箭“心脏”之称。喷管位于火箭发动机推力室中,负责将推进剂燃烧产生的高温、高压燃气的热能转化为动能,它直接影响发动机的比冲性能。近年来,商业航天加速发展,低成本低、短周期、可批量化生产逐渐成为追求方向。人工焊接耗时数月的生产周期,及对专家技师的高度依赖,并不适应市场对于量产的需求,火箭企业开始探索机器人焊接工艺。
TQ-12发动机喷管的直径1米以上,采用机器人进行激光焊接,用时仅为两天。随着后续工艺进一步成熟,焊接时间或压缩至10小时内,制造周期和成本仅为传统的喷管制造工艺的1/10左右。
喷管在大推力液体火箭发动机工作过程中,需要承受燃气剧烈的高温加热,每平方米感受到的热量接近于太阳表面。人类目前掌握的最好耐高温金属材料也无法承受如此巨大的热流。
因此,工程师们将喷管的结构做成夹层,让推进剂在进入燃烧室前,先在夹层里高速流动,带走热量,从而保证喷管不被烧毁。
这种再生冷却喷管需要具有足够的结构强度和刚度,以承受发动机轴向的推力、内部的液压、强烈的震动;还需要足够轻的重量,以提高发动机推重比;以及最优的型面精度,以使燃气以最优的方式膨胀,获得最高的比冲。
在目前的工程应用中,夹层式喷管结构主要有波纹板式、铣槽式和管束式等三种。
其中,管束式结构,按管子的排列形式来分,可分为直列式和螺旋式。蓝箭航天采用的为螺旋管束式结构,数百根管壁厚度约3毫米的合金管,以改变螺旋升角的方式被焊接在一起。
在对真空加压钎焊、扩散焊、激光焊等多种工艺进行比较分析,以及对相关设备企业进行调研后,研究团队最终选择了激光焊接夹层喷管工艺。该工艺具备多种优势,包括焊缝强度高、承压能力强、自动化程度高、焊接速度快、能在大气环境操作等。
目前激光装备制造集团合作建成了整套机器人激光焊接设备。通过使用大型喷管机器人,完成全自动激光焊接。该设备最大焊接功率8000瓦,最大可焊深度10毫米,最大可焊直径接近2米,适应各类不锈钢、高温合金、铝合金、铜-钢异种金属等的焊接。
创鸿激光结束语:
随着机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,对机器人系统的可靠性提出了更高的要求。在保证系统可靠的前提下,功能多样化也一直是激光设备发展的一个方向。可在激光焊接机器人设备上集成切割、熔覆、表面处理等多种激光加工手段。
激光焊接作为高速发展的新兴的高能束焊接手段,对环境要求相对较低、加工幅面可无限扩展,可以成为满足复杂结构件的焊接制造需求的重点发展方向。事实上,机器人激光焊接加工技术正朝着高精度、低成本、高可靠性、高集成化等趋势发展。通过提高设备性能和选择适当的工艺参数等方式获得提高加工精度。在速度方面,既要获得高速,又要减小惯性力,就要尽量减少运动部分的质量。
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