孫世烜，畢煌圣，杜憲策，張 昊，李凱華

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

0 前言

隨著我國(guó)航天事業(yè)的不斷發(fā)展，載人登月、空間站建設(shè)以及對(duì)深空探測(cè)需求的不斷增加，對(duì)投送能力更大的重型運(yùn)載火箭的需求越來(lái)越迫切[1]。重型運(yùn)載火箭是我國(guó)大幅提升空間探索能力的必要途徑，是國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)也是國(guó)際上衡量一個(gè)國(guó)家航天核心競(jìng)爭(zhēng)力和綜合科技實(shí)力的重要標(biāo)志[2]。

重型運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)達(dá)到φ10 m級(jí)以上，屬于超大直徑火箭，其中為火箭飛行提供燃料貯備的超大直徑貯箱體是箭體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，占整箭質(zhì)量80%以上。大尺寸和低剛性是超大直徑貯箱的結(jié)構(gòu)特征[3]，由于火箭在飛行過程中的工況十分復(fù)雜，因此貯箱結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性是保證重型運(yùn)載火箭在不同環(huán)境及工況下穩(wěn)定飛行的關(guān)鍵。

超大直徑貯箱主要由箱底、筒段、短殼組成。其中箱底上的連接環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且同時(shí)與筒段、箱底圓環(huán)及短殼相連接，如圖1所示。

雖然與短殼連接的環(huán)縫與推進(jìn)劑不直接接觸，但是在重型運(yùn)載火箭飛行過程中卻要承受數(shù)千噸的軸向壓力，工況更為惡劣，因此連接環(huán)與短殼環(huán)縫連接的可靠性將嚴(yán)重影響到重型運(yùn)載火箭飛行的成敗。

本研究以三種構(gòu)型的連接環(huán)為設(shè)計(jì)輸入，以目前國(guó)際上航天器制造應(yīng)用最為廣泛的攪拌摩擦焊工藝為技術(shù)基礎(chǔ)，探討不同連接環(huán)結(jié)構(gòu)下短殼與連接環(huán)環(huán)縫裝配焊接工藝方案及可能存在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，一方面為我國(guó)重型運(yùn)載火箭連接環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，另一方面為短殼與連接環(huán)環(huán)縫的制造提供技術(shù)支撐。

圖1 重型運(yùn)載火箭超大直徑貯箱三維結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Three-dimensional structure diagram of super large diameter tank for heavy launch

1 國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭連接環(huán)結(jié)構(gòu)及與短殼連接工藝

1.1 國(guó)內(nèi)情況

我國(guó)現(xiàn)役及在研運(yùn)載火箭主要有CZ-3A系列φ3.35 m運(yùn)載火箭和CZ-5φ5 m運(yùn)載火箭。

CZ-3A系列運(yùn)載火箭使用的連接環(huán)為叉形環(huán)，由2根彎曲后的型材拼焊而成。叉形環(huán)與短殼焊接前加工出鎖底槽，將箱底以“帽裝”的方式放置在地面上，通過人工砸敲方式將短殼與叉形環(huán)插接在一起，使用變極性TIG工藝焊接，如圖2所示。

圖2 CZ-3A系列運(yùn)載火箭叉形環(huán)與短殼連接過程示意Fig.2 CZ-3A series carrier rocket fork and short shell connection process diagram

由于叉形環(huán)與短殼都是拼焊件，兩部段均受焊 接收縮的影響，因此需嚴(yán)格匹配周長(zhǎng)尺寸。若短殼周長(zhǎng)尺寸小于叉形環(huán)鎖底槽尺寸，會(huì)造成兩者套裝困難，若大于則會(huì)出現(xiàn)裝配錯(cuò)縫，輕則引起焊接缺陷，重則造成產(chǎn)品報(bào)廢。鎖底焊縫中出現(xiàn)的氣孔缺陷及嚴(yán)重打洞燒穿缺陷如圖3所示。

圖3 鎖底結(jié)構(gòu)焊縫中出現(xiàn)的缺陷Fig.3 Defects in welds at the bottom of the lock

在新一代CZ-5運(yùn)載火箭的研制過程中，為提高產(chǎn)品的制造精度并減少焊縫給結(jié)構(gòu)上帶來(lái)的消弱，連接環(huán)設(shè)計(jì)成了Y形環(huán)結(jié)構(gòu)，由整體鍛環(huán)機(jī)加而成，如圖4所示。

圖4 CZ-5 Y形環(huán)結(jié)構(gòu)示意Fig.4 CZ-5 Y ring structure diagram

由于結(jié)構(gòu)上的改變，短殼與Y形環(huán)的連接不再是鎖底連接而是對(duì)接。Y形環(huán)與短殼在臥式狀態(tài)下裝配，“傘”狀的支撐桿系帶著焊接墊板從內(nèi)部撐住焊縫，外部利用抱環(huán)固定，通過內(nèi)撐外壓的方式保證裝配質(zhì)量，采用變極性TIG工藝進(jìn)行焊接。

1.2 國(guó)外情況

土星五（Saturn V）是美國(guó)20世紀(jì)60年代研制的重型運(yùn)載火箭，芯級(jí)直徑達(dá)10.06 m，其連接環(huán)采用Y形環(huán)結(jié)構(gòu)，先分段拼焊工藝后機(jī)加制造。Y形環(huán)與短殼在立式狀態(tài)下裝配，采用熔化極氣體保護(hù)焊（MIG）橫焊工藝[4-5]。土星五Y形環(huán)實(shí)物如圖5所示，在焊接的Y形環(huán)與短殼對(duì)接焊縫如圖6所示。

圖5 土星五Y形環(huán)實(shí)物Fig.5 Saturn V Y ring in kind

圖6 Y形環(huán)與短殼對(duì)接環(huán)縫焊接Fig.6 Y ring and short shell butt joint seam welding

美國(guó)弗吉尼亞州漢普頓NASA蘭利研究中心的David W.Sleight等人進(jìn)行了33英尺（10 m）金屬低溫貯箱的概念設(shè)計(jì)，提出超大直徑金屬低溫貯箱概念的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸確定細(xì)節(jié)，分析論證超大直徑貯箱連接環(huán)與短殼采用螺栓連接的可行性。NASA超大直徑低溫貯箱箱底結(jié)構(gòu)及箱底與短殼連接示意如圖7所示。

美國(guó)新一代重型運(yùn)載火箭航天發(fā)射系統(tǒng)SLS（Space Launch System）芯級(jí)直徑8.38 m，連接環(huán)毛坯件為T字形翻邊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成6段，先采用攪拌摩擦焊拼焊成整圓，后機(jī)加出理論內(nèi)外型面，最后在翻邊上配打出螺紋孔。連接環(huán)與短殼采用螺接的方式連接。SLS連接環(huán)生產(chǎn)過程如圖8所示。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)役及在研的運(yùn)載火箭連接環(huán)與短殼對(duì)接環(huán)縫仍采用焊接這類冶金結(jié)合的方式進(jìn)行連接，而隨著國(guó)外重型運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不斷迭代優(yōu)化，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了冷連接（非冶金結(jié)合技術(shù)）的連接方式，降低了設(shè)備、技術(shù)及廠房等方面的投入，提高了連接效率和質(zhì)量。

圖7 NASA超大直徑低溫貯箱箱底結(jié)構(gòu)及箱底與短殼連接示意[6]Fig.7 Brief description of NASA's large diameter lowtemperature storage tank bottom structure and dome and short shell connection

圖8 美國(guó)新一代運(yùn)載火箭（SLS）連接環(huán)生產(chǎn)過程Fig.8 US new generation carrier rocket(SLS)connecting ring production process

2 重型運(yùn)載火箭連接環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)箭體部段裝配焊接的影響

國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭連接環(huán)的結(jié)構(gòu)主要有3種：叉形環(huán)、Y形環(huán)和帶翻邊結(jié)構(gòu)的T形環(huán)。前兩種均采用焊接方式與短殼連接，而翻邊結(jié)構(gòu)則可采用螺接方式與短殼連接。雖然上述3種結(jié)構(gòu)的連接環(huán)都滿足火箭在飛行過程中復(fù)雜的受力狀態(tài)，但是不同的結(jié)構(gòu)帶來(lái)不同的裝配焊接工藝流程及工藝裝配方案。下面以我國(guó)重型運(yùn)載火箭連接環(huán)采用的叉形環(huán)、Y形環(huán)及翻邊T形環(huán)為研究對(duì)象，分析連接環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)箭體部段裝配焊接的影響。

2.1 采用鎖底結(jié)構(gòu)影響

我國(guó)現(xiàn)役CZ-3A系列φ3.35 m運(yùn)載火箭連接環(huán)結(jié)構(gòu)為叉形環(huán)。按照現(xiàn)役φ3.35m叉形環(huán)鎖底槽與短殼周長(zhǎng)匹配經(jīng)驗(yàn)，短殼內(nèi)型面周長(zhǎng)應(yīng)控制在比鎖底槽外型面周長(zhǎng)小幾毫米，從而實(shí)現(xiàn)兩部段的緊配合。在裝配時(shí)需8～10名工人先將短殼套裝在叉形環(huán)上，用專用工裝鎖緊兩部段后，采用大錘重力敲擊的方式將短殼下端敲入鎖底槽中。然后松開專用鎖緊工裝安裝在組合件的另一處，再進(jìn)行敲擊裝配。以此類推，直到將整個(gè)短殼套裝入叉形環(huán)鎖底槽中。

整個(gè)裝配過程耗時(shí)長(zhǎng)（約半天）、噪聲大、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且重力敲擊產(chǎn)生的沖擊力還會(huì)造成短殼與連接環(huán)原本對(duì)齊的象限產(chǎn)生偏移，重新對(duì)象限還需將兩部段分離，由于是過盈緊配合，在半套裝好的狀態(tài)下人工分離過程更為困難。

重型運(yùn)載火箭連接環(huán)若設(shè)計(jì)為叉形環(huán)結(jié)構(gòu)，采用攪拌摩擦焊制造工藝流程需先在叉形環(huán)上加工出鎖底槽，然后套裝短殼與叉形環(huán)，最后安裝在工位上焊接，如圖9所示。

圖9 重型運(yùn)載火箭叉形環(huán)結(jié)構(gòu)的連接環(huán)與短殼裝配焊接流程示意Fig.9 Schematic diagram of welding process of connecting ring and short shell assembly for heavy-duty launch vehicle fork ring structure

由圖9可知，采用叉形環(huán)結(jié)構(gòu)在焊接工藝方面的風(fēng)險(xiǎn)較小。這是因?yàn)榕c常規(guī)攪拌摩擦焊不同，鎖底焊時(shí)與攪拌針根部接觸的不是鋼制墊板而是母材，避免了產(chǎn)品尺寸超大帶來(lái)的圓度不好，以及焊接過程中不斷調(diào)節(jié)攪拌頭壓入量帶來(lái)的攪拌針扎墊板問題，能夠保證焊接質(zhì)量。

重型運(yùn)載火箭連接環(huán)采用鎖底結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過程中最大的難點(diǎn)是短殼與連接環(huán)的套裝，主要有兩種情況：

（1）連接環(huán)為機(jī)加件。

若重型運(yùn)載火箭連接環(huán)采用整體鍛環(huán)機(jī)加，則制造精度高，待焊接邊周長(zhǎng)尺寸與理論值相差較小，而短殼是多塊零件拼焊而成，其型位尺寸受焊接收縮及變形等因素影響，焊后的環(huán)縫周長(zhǎng)尺寸與理論值相差較大，且圓度也差。若采用過盈配合，因產(chǎn)品尺寸巨大，一方面采用人工重力敲擊的力不足以滿足產(chǎn)品裝配要求，另一方面輔助工裝也會(huì)隨著產(chǎn)品尺寸的增加而增大，人工裝配和調(diào)節(jié)過程難度極大。

（2）連接環(huán)為拼焊件。

若重型運(yùn)載火箭連接環(huán)與短殼一樣均采用多零件拼焊而成，則兩部段焊后周長(zhǎng)尺寸均會(huì)與理論值有一定偏差。當(dāng)連接環(huán)鎖底槽外型面尺寸小于理論值，短殼內(nèi)型面周長(zhǎng)尺寸大于理論值，兩部段套裝時(shí)會(huì)出現(xiàn)裝配錯(cuò)縫；反之，當(dāng)連接環(huán)鎖底槽外型面尺寸大于理論值，短殼內(nèi)型面周長(zhǎng)尺寸小于理論值，則會(huì)出現(xiàn)過盈的裝配狀態(tài)?？傊B接環(huán)與短殼都采用拼焊方式會(huì)增加兩部段周長(zhǎng)匹配上相差較大的可能，增加產(chǎn)品制造難度。

綜上所述，重型運(yùn)載火箭連接環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成叉形環(huán)結(jié)構(gòu)，其難度及風(fēng)險(xiǎn)主要是超大直徑短殼與叉形環(huán)的套裝問題。若采用人工，可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)裝配，若采用自動(dòng)套裝，則需要研制超大形的自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)，資金投入大、周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足型號(hào)研制需求。

2.2 采用Y形環(huán)結(jié)構(gòu)影響

重型運(yùn)載火箭連接環(huán)采用Y形環(huán)結(jié)構(gòu)，其與短殼連接裝配有兩種方式：一種與CZ-5產(chǎn)品一致，在臥式狀態(tài)下裝配，一種是在立式裝配下裝配。由于超大直徑火箭立式裝配比臥式裝配有優(yōu)勢(shì)[6-9]，因此對(duì)重型運(yùn)載火箭Y形環(huán)與短殼在立式狀態(tài)下裝配焊接進(jìn)行分析。

采用Y形環(huán)結(jié)構(gòu)的連接環(huán)與短殼立式裝配狀態(tài)示意如圖10所示，其工藝流程如圖11所示。

圖10 短殼與Y形環(huán)立式裝配示意Fig.10 Brief description of short shell and Y ring vertical assembly

圖11 Y形環(huán)與短殼對(duì)接環(huán)縫焊接工藝流程Fig.11 Y ring and short shell butt joint seam welding process flow chart

重型運(yùn)載火箭采用連接環(huán)采用Y形環(huán)結(jié)構(gòu)會(huì)給工藝裝備、裝配及焊接帶來(lái)一定的難度及風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.1 工裝設(shè)計(jì)難度風(fēng)險(xiǎn)

（1）內(nèi)撐楔形塊壓桿與并縫壓桿設(shè)計(jì)難度及風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)役φ3.35 m貯箱鎖底焊撐塊壓桿設(shè)計(jì)思路是在箱底人孔中設(shè)計(jì)芯軸，芯軸上設(shè)計(jì)傘狀盤形結(jié)構(gòu)，盤型結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)頂絲壓桿，焊接過程中壓桿隨著箱底一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但重型箱底人孔直徑不到φ1 m，而傘狀盤直徑約為φ10 m級(jí)，穿過人孔的芯軸直徑小于人孔法蘭內(nèi)徑，難以支撐φ10 m級(jí)的傘狀盤質(zhì)量及裝夾頂緊要求。內(nèi)撐楔形塊壓桿與并縫壓桿須在φ10級(jí)圓柱面外部設(shè)計(jì)安裝，并且隨著箱底焊接過程同步旋轉(zhuǎn)，需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)相應(yīng)的φ10 m級(jí)同步旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。另外，在數(shù)噸焊接頂鍛力作用下[10]，內(nèi)撐楔形塊的剛性必須足夠，焊接完成后楔形塊變形不能太大，否則拆卸困難。

（2）焊接墊板設(shè)計(jì)難度及風(fēng)險(xiǎn)。

短殼內(nèi)型面與箱底外型面之間為不等深空間，Y形環(huán)與短殼對(duì)接環(huán)縫到背部母材的距離不大于50mm，如圖12所示（陰影區(qū)域?yàn)椴坏壬羁臻g，黑色部分為焊接墊板）。

圖12 不等深空間及焊接墊板裝配位置示意Fig.12 Unequal deep space and welding plate assembly location diagram

受空間所限，內(nèi)撐工裝楔形內(nèi)撐塊基本只能按照短殼與箱底徑向截面空間形狀設(shè)計(jì)，在φ10 m級(jí)直徑上內(nèi)撐工裝楔形內(nèi)撐塊設(shè)計(jì)為數(shù)十塊分體塊或著更多個(gè)分體組合式。由于受空間結(jié)構(gòu)尺寸影響，該焊接墊板無(wú)法設(shè)計(jì)出在徑向方向上的尺寸調(diào)整功能，即不可以改變墊板的周長(zhǎng)來(lái)從內(nèi)部將圓度不好的短殼組件撐圓，無(wú)法消除裝配錯(cuò)縫。

2.2.2 裝配難度及風(fēng)險(xiǎn)

（1）短殼與箱底焊前對(duì)接難度及風(fēng)險(xiǎn)。

在裝配短殼與Y形環(huán)對(duì)接環(huán)縫時(shí)，環(huán)縫對(duì)接面寬度僅為十幾毫米，若兩部件圓度相差較大，可能會(huì)出現(xiàn)局部能對(duì)接上、局部懸空的狀態(tài)，需來(lái)回反復(fù)調(diào)整對(duì)接精度，在此過程中存在短殼從Y形環(huán)對(duì)接面上脫落的風(fēng)險(xiǎn)。并且就目前φ10 m級(jí)箱底尺寸而言，Y形環(huán)與短殼環(huán)縫的裝配高度距離平臺(tái)約為1 m，短殼上端面距離平臺(tái)裝配高度約為2 m，不利于人員觀察產(chǎn)品的裝配狀態(tài)。

（2）焊接墊板裝配難度及風(fēng)險(xiǎn)。

Y形環(huán)與短殼對(duì)接后兩者背部形成的不等深空間狹小，尤其是環(huán)縫焊接區(qū)背部空間更窄，短殼的高度較高，不利于操作人員觀察安裝數(shù)十塊分體式焊接墊板。一方面短殼內(nèi)型面與箱底焊接后外型面變形會(huì)影響分體式墊板的安裝位置及其與產(chǎn)品的貼合度；另一方面若短殼的高度大于人的身高，則短殼與箱底內(nèi)型面形成的倒三角空間最下端的有效裝配區(qū)域深且狹小，裝配可達(dá)性和可視程度差，無(wú)法保證焊接墊板的裝配質(zhì)量。

2.2.3 焊接難度及風(fēng)險(xiǎn)

（1）熔焊。

重型運(yùn)載火箭連接環(huán)與短殼焊接區(qū)厚度最大達(dá)到幾十毫米，由于熔焊的穿透能力有限，無(wú)論是立式或臥式，采用橫焊或水平焊，在不開坡口的情況下變極性TIG、VPPA及MIG焊均無(wú)法焊透，若開坡口則減小了裝配對(duì)接面的接觸面積，增加裝配難度，且焊縫背部空間狹小，無(wú)法清理焊漏。

（2）傳統(tǒng)攪拌摩擦焊。

傳統(tǒng)攪拌摩擦焊在焊接對(duì)接焊縫時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)噸的壓力，因此需要在母材的背面安裝焊接墊板，若兩部段周長(zhǎng)尺寸匹配不好，會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)縫及焊縫背部與焊接墊板不貼合。從目前試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，厚板攪拌摩擦焊對(duì)裝配錯(cuò)縫十分敏感，如果兩部段圓度不好，在大錯(cuò)縫下焊接會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的焊接缺陷，而補(bǔ)焊不但會(huì)增加焊縫的殘余應(yīng)力，還會(huì)造成焊縫減薄，降低焊縫承載能力。另外，圓度不好導(dǎo)致的焊縫背部與焊接墊板不貼合還會(huì)出現(xiàn)攪拌針扎傷墊板事故，嚴(yán)重情況下容易造成產(chǎn)品報(bào)廢。

（3）可回抽攪拌摩擦焊。

可回抽攪拌摩擦焊的攪拌針可以回抽，能夠去除焊縫末端的匙孔，非常適合用來(lái)焊接封閉環(huán)縫[11]。但與常規(guī)攪拌摩擦焊類似，可回抽攪拌摩擦焊對(duì)裝配錯(cuò)縫同樣敏感，在圓度不好的大錯(cuò)縫下焊接會(huì)出現(xiàn)表面溝槽、孔洞、焊縫減薄等缺陷。

（4）雙軸肩攪拌摩擦焊。

雙軸肩攪拌摩擦焊焊接過程中不需要焊接墊板，也可簡(jiǎn)化內(nèi)撐工裝的結(jié)構(gòu)。從目前查閱的資料可知[12-14]，下軸肩的厚度越大，越有利于焊縫的成形及保持焊接過程的穩(wěn)定性，同時(shí)能增加攪拌頭整體的剛性，降低攪拌針在焊接過程中折斷的風(fēng)險(xiǎn)?？珊附雍癜搴教煊酶邚?qiáng)度鋁合金的雙軸肩攪拌頭的下軸肩及緊固件的厚度大于短殼與Y形環(huán)環(huán)縫距焊縫背面的距離，如圖13所示（黑色區(qū)域?yàn)殡p軸肩攪拌頭與Y形環(huán)干涉部分），造成焊縫背部的空間及開敞性無(wú)法滿足攪拌頭的安裝要求，且下軸肩會(huì)與產(chǎn)品干涉。因此該條焊縫不適用雙軸肩攪拌摩擦焊。

2.3 采用翻邊T形環(huán)結(jié)構(gòu)影響

翻邊T形環(huán)結(jié)構(gòu)是美國(guó)在SLS上創(chuàng)新的連接環(huán)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)雖然增加了連接環(huán)由多段環(huán)拼焊成整環(huán)的幾條縱縫，但是將連接環(huán)與短殼環(huán)縫的焊接改為了螺接，極大地降低了制造難度、設(shè)備投入和操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了兩部段連接質(zhì)量的一致性和可靠性。

從技術(shù)角度分析，采用翻邊T形環(huán)結(jié)構(gòu)主要有三種實(shí)現(xiàn)形式：

圖13 雙軸肩攪拌頭與產(chǎn)品干涉示意Fig.13 Bobbin tool interference product diagram

（1）整體鍛環(huán)+熱處理+機(jī)加。

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了重型運(yùn)載火箭φ10m級(jí)的整體鍛環(huán)的研制[13]，但是要對(duì)尺寸如此大的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理還存在一定風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，國(guó)內(nèi)熱處理設(shè)備尺寸不能滿足φ10 m級(jí)的整體鍛環(huán)產(chǎn)品熱處理工藝需求，重新研制設(shè)備經(jīng)費(fèi)投入大、產(chǎn)出比低、周期長(zhǎng)。另外整體鍛環(huán)厚度大，熱處理后鍛件組織的均勻性差，會(huì)影響母材的基體性能，因此還需要針對(duì)超大尺寸及厚度的產(chǎn)品開展相應(yīng)的熱處理工藝研究，而技術(shù)成熟度不高，難度和風(fēng)險(xiǎn)大。

（2）多鍛環(huán)+熱處理+拼焊+機(jī)加。

多段環(huán)能夠減小鍛件尺寸，現(xiàn)有的熱處理設(shè)備和工藝能夠保證產(chǎn)品熱處理后的質(zhì)量及性能，只是焊接時(shí)產(chǎn)品在毛坯狀態(tài)下的厚度遠(yuǎn)大于產(chǎn)品最終實(shí)際厚度，因此需要投入可焊接超厚板的攪拌摩擦焊設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)在該型設(shè)備上的技術(shù)成熟度不高。

（3）多鍛環(huán)+熱處理+機(jī)加+拼焊。

第三種形式與第二種形式的區(qū)別主要是先將毛坯件的分鍛環(huán)機(jī)加到圖紙要求尺寸后再進(jìn)行拼焊，該工藝流程的優(yōu)勢(shì)是毛坯分鍛環(huán)結(jié)構(gòu)小，現(xiàn)有加工中心能夠滿足加工要求，另外由于分鍛環(huán)先機(jī)加到位，其縱縫焊接區(qū)厚度會(huì)大大減小，屬于中厚板焊接，攪拌摩擦焊設(shè)備及工藝技術(shù)成熟度高，利用合適的攪拌摩擦設(shè)備采用常規(guī)攪拌摩擦焊工藝或可回抽工藝即可完成焊接。

由上述分析可知，將連接環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成翻邊T形環(huán)結(jié)構(gòu)后，其制造難度主要是連接環(huán)的制造，短殼與連接環(huán)環(huán)縫則無(wú)需再進(jìn)行焊接，連接工藝變得簡(jiǎn)單。采用多鍛環(huán)+熱處理+機(jī)加+拼焊的方案基本不需要投入新設(shè)備，制造成本低，制造風(fēng)險(xiǎn)、難度和周期大幅度降低。

3 結(jié)論與展望

重型運(yùn)載火箭連接環(huán)結(jié)構(gòu)直接影響著工裝的設(shè)計(jì)、工藝方法選擇及工藝流程的確定。

在工裝設(shè)計(jì)方面，重型運(yùn)載火箭尺寸超大會(huì)降低產(chǎn)品的制造精度，很大概率出現(xiàn)產(chǎn)品焊后圓度不好，連接環(huán)與短殼待焊接環(huán)縫周長(zhǎng)尺寸相差大，給不等深空間中焊接墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的難度，工裝在有限的空間內(nèi)不具備周向漲大、徑向撐緊的功能，無(wú)法調(diào)整裝配錯(cuò)縫，給兩部段的裝配也帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，帶著錯(cuò)縫焊接勢(shì)必會(huì)造成嚴(yán)重的缺陷，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

在工藝選擇方面，重型運(yùn)載火箭Y形環(huán)結(jié)構(gòu)的連接環(huán)與短殼對(duì)接環(huán)縫厚度大，熔焊工藝很難焊透。攪拌摩擦焊及可回抽攪拌摩擦焊可以滿足焊接要求，只是對(duì)兩部段的裝配質(zhì)量要求太高，在兩部段圓度及對(duì)接環(huán)縫周長(zhǎng)尺寸相差較大的情況下焊接過程的穩(wěn)定性及質(zhì)量難以保證。雖然可以將焊接墊板設(shè)計(jì)成同材質(zhì)的鋁合金，焊接后不將鋁制墊板取出，以避免攪拌頭扎傷墊板的風(fēng)險(xiǎn)，但是不取出的墊板會(huì)增加廢重，同時(shí)由對(duì)接變?yōu)榇罱拥沫h(huán)縫會(huì)存在的“Hook”缺陷，降低接頭強(qiáng)度[15-16]。

因此，建議借鑒國(guó)外重型運(yùn)載分段環(huán)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在型號(hào)的后續(xù)研制階段中論證采用多段環(huán)+外翻邊+與短殼螺接的結(jié)構(gòu)形式，一方面可避免φ10 m級(jí)整體鍛環(huán)熱處理后可能出現(xiàn)的組織性能不均勻的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面采用分體鍛環(huán)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有熱處理設(shè)備能夠滿足熱處理要求，且小件產(chǎn)品的熱處理工藝技術(shù)成熟度高、質(zhì)量可控性強(qiáng)，一致性好，生產(chǎn)效率和成本也顯著降低。分體鍛環(huán)雖增加了若干條縱縫，但焊縫長(zhǎng)度短，型面規(guī)則，采用中厚板攪拌摩擦焊工藝可以實(shí)現(xiàn)可靠連接，焊后形成的整體環(huán)內(nèi)外型面精加工也不存在工藝難點(diǎn)，并且能夠去除縱縫焊接后的微小變形，最終形成內(nèi)部組織均勻、質(zhì)量一致性好、形位尺寸精度高的連接環(huán)。通過在連接環(huán)翻邊及短殼上用專用鉆模配打孔，可以實(shí)現(xiàn)翻邊連接環(huán)與短殼的高質(zhì)量、高效率、高精度的自動(dòng)化連接，避免人工的高強(qiáng)度裝配及焊接的高風(fēng)險(xiǎn)制造，提高重型運(yùn)載火箭貯箱的制造精度。

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