[发明专利]一种用于航天飞行器外贮箱网格壁板的快速制造方法

说明书

技术领域

本发明属于航空航天铝合金结构制造领域，具体讲是指航天飞行器外贮箱结构的带网格状加筋条壁板构件，即网格壁板的一种增材-局部铣切的快速制造方法。

背景技术

外贮箱结构是大型运载火箭的重要组成部分，其主要部分是由铝合金壁板经过卷曲焊接形成的圆柱型筒箱容器。由于外贮箱不仅承载助推剂，也是轨道器的支撑和连接机构，因此其箱壁在满足装载密封性的前提下，还必须具有较高的强度以面对恶劣的工作环境。增加壁板厚度固然能增高强度，但这也直接影响了运载火箭的重量。为了保证外储箱的工作强度，并尽量减轻运载火箭的总重量，外储箱壁板必须采用带有交叉网格状加筋条的网格壁板来加工制造。

由于外贮箱尺寸较大（长度可达10m，最大超过40米，直径超过8m），现有的对于网格壁板的加工技术主要为减材加工制造方法：即在较厚的铝板上，根据网格加筋条的分布形式和形状，采用减材加工方法在网格内部去除多余材料，使得厚铝板在一面或两面形成带有网格状加筋条的网格壁板结构。目前在航天结构制造领域采用的减材加工方法主要有化学铣切和机械铣切两种加工方式。

化学铣切的加工原理是利用一定浓度的NaOH碱溶液与Al发生化学反应，通过控制过程的侧切率（腐蚀速度和垂直于表面的腐蚀速度之比）来获得合适的加筋肋条宽度。化铣的一般工艺流程是：去包铝层-涂覆保护胶-固化-化铣样板刻型-化铣-热水洗-出光-冷水洗-去保护胶-成品检验。浸于化铣槽中的壁板零件一般高度为1.5m，因此化铣槽体积也较大，在化铣过程中，很难在这样大的空间内保证化铣液的浓度均匀，因此难免会产生由浓度、温度梯度造成的“锥度化铣”，导致壁板厚度不均匀。由此也可看出，化铣很难保证壁板的表面粗糙度，需要大量后续加工，这在一定程度上又增加了生产周期。化学铣切加工造成了大批铝合金板材的浪费，生产如此庞大的外储箱壁板必然需要大量的化铣液，这也产生了大量的废液污染环境、且生产效率低，这不论对于经济性还是环境保护都是一个巨大的难题。

机械铣切相对于化学铣切来讲，有加工精度高，剩余壁厚易控制等优点，该项技术在国外应用较常见，目前国内也有部分运用。然而，机械铣切也面临着许多问题。由于外储箱属于大型零件，现有的设备能力和工艺水平很难满足其加工要求。壁板上需要铣切的部分的面积和深度都较大，铣刀需要在板材中经过类似于螺旋绕行的方式，才能得到大尺寸的网格结构。铝合金又属于轻质刚性较差的材料，因此在加工过程中很容易造成材料的变形和应力分布不均匀现象，导致筋条尺寸不一，严重影响到后续加工精度。在长时间的高速切削过程中，铝合金极易产生积屑瘤，妨碍刀头散热，影响加工效率。为了保证加强筋条与壁板间支撑的可靠性，对于支撑根部需要加工小半径的圆弧以防止应力集中，这时切削工具的可达性以及加工精度也是需要考虑的重要问题。

搅拌摩擦焊技术是英国焊接研究所于1991年发明的一种新型固相连接方法，最开始运用于轻质金属如铝合金，镁合金和钛合金等对接接头，如今该项技术已经广泛应用于搭接和T型接头中。异种铝镁合金，同系列不同牌号的铝合金之间的连接也可以通过搅拌摩擦焊来实现。由于这些轻质合金具有热导率高，比热大及易氧化的特点，运用传统的熔化焊方法焊接时常会产生热量散失快，变形大，并且极容易形成金属氧化物造成焊缝与木材连接处强度降低，气孔和难融合等缺陷。对于2xxx,7xxx系列铝合金甚至会产生不可焊的问题。而搅拌摩擦焊则很好的解决了这些难题，同传统焊接方法相比，其具有以下优点：

（1）由于搅拌头的机械作用，被焊工件表面氧化层被搅动打碎，使焊前准备工作量大大降低。

（2）焊接过程在塑性温度进行，低于材料熔点。焊接过程没有飞溅和烟尘，焊缝成形优良，这极大改善了焊接条件。较低的焊接温度也使得被焊工件基本没有发生变形，节省了焊后矫形的步骤，保证了加工尺寸精度。

（3）焊缝组织在热和力的共同作用下发生动态再结晶，该结构具有化学成分均匀，力学性能优良的特点。这不仅保证了与母材的等强匹配，也降低了由于组织不均匀可能造成的应力腐蚀危害。

（4）搅拌摩擦焊方便实现自动化焊接，在提高焊接生产效率的同时也能保证大批量焊接成品的质量可靠性。而通过改进工作台，一次性可完成50m长的焊缝。搅拌摩擦焊在焊接大截面，大尺寸的工件上体现了明显优势。

（5）许多搅拌摩擦焊设备是在立式龙门铣床基础上改造的，因此在同一工作平台上完成焊接与机械加工也是可行的，这就节省了工装夹具的制造开支。

目前搅拌摩擦焊在铝合金结构制造中已获得广泛应用，但尚未见到搅拌摩擦加工方法应用于航天飞行器外贮箱网格壁板制造中。