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工业机器人“出手” 火箭喷管焊接不那么难了

竖焊、直接成型、无需在线定位系统……2月25日,蓝箭航天发布工业激光焊接机器人焊接火箭发动机喷管的视频,其自主研发的“天鹊”(TQ-12)80吨液氧甲烷发动机喷管,由机器人进行激光焊接一次成功,目前已经顺利下线。

“以前熟练的焊接技术人员两个人同时焊接需要一个月时间,现在用机器人焊接两天时间就能完成。”蓝箭航天创始人、CEO张昌武介绍,80吨液氧甲烷发动机的喷管直径约为1米以上,机器人全自动激光焊接,可大幅度降低喷管制造成本,缩短制造周期,提高产品质量,便于实现产品的批量化制造。

喷管像“蜂巢”,能抗“水深火热”

火箭发射和飞行时,经过喷管的燃气温度在1000—3000摄氏度之间。“虽然温度没有太阳高,但是每平方米感受到的热量与太阳表面非常接近。”业内专家表示,人类目前掌握的耐高温金属材料,均无法承受。

为此,液体火箭发动机上使用推进剂对喷管进行冷却。通过将喷管的结构做成夹层,让推进剂在进入燃烧室之前,先在夹层里“转一圈”,带走热量,保证喷管不被烧毁。

夹层式喷管的横断面更像一个蜂巢板,中间流淌的是“冰”,表面则要耐受太阳般的热度。“水深火热”的模式对夹层间的“牢固度”提出了巨大的挑战。

工程上保证“牢固度”的方法是依靠焊接,让构成夹层的内外“两体”合为“一体”,但是喷管的结构复杂、外形庞大、且焊接变形控制要求高,一点点裂缝或者气泡就可以造成火箭在飞行过程中喷管损毁,因此对焊接质量提出了非常高的要求。

机器人“出手”,提质增效

除了温度的骤变,喷管还要经受各种力的“蹂躏”——轴向的推力、内部的液压、强烈的震动……因此要有足够的结构强度、刚度,但航天部件又要尽可能轻,以提高发动机推重比。因此喷管在轻和薄的同时,又要刚和韧。

焊接壁管往往小于1毫米,且要克服焊接造成的变形,对于人工来说要求相当苛刻。很多航天“焊将”为了练得合格的技术,甚至手绑沙袋长时间训练。

“为了实现液体火箭发动机的智能化制造,蓝箭航天‘天鹊’80吨液氧甲烷发动机喷管选择了机器人激光焊接。一年多时间里,我们的工程师不断试验,实现了自主创新,同时建成了喷管机器人激光自动化焊接设备。”张昌武介绍,机器人“焊将”无需使用内壁肋条X光在线定位系统,大幅度降低了设备的复杂性和成本,而且形变可控、可以直接成型。

由于其柔性化程度高,可达面积大,机器人“焊将”还可兼顾发动机其他零组件焊接。张昌武说,随着后续工艺的进一步成熟,焊接时间有望压缩至10小时以内,制造周期和成本仅为螺旋管束喷管的1/10左右。整套工艺、工装方案已于2018年全面申报发明专利。

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