近日,国内首台80吨级液氧甲烷发动机200s全系统试车圆满成功。这台被誉为火箭心脏的“庞然大物”正是由大族激光智能装备集团研发的RK1Z激光焊接设备焊接完成的。由大族激光技术团队集数年之功在夹层喷管技术取得重大技术突破,实现了火箭发动机制造技术领域异种金属三维曲面全自动激光焊接。这也是我国首次将激光焊夹层喷管工艺运用在火箭发动机喷管上,填补了国内该领域的技术空白。

  近年来,随着市场对于太空探索需求的迅猛增长以及全球微纳卫星互联网化技术日趋成熟,火箭发动机具有巨大的市场缺口。发动机作为火箭的心脏,恶劣的工况对火箭发动机结构提出了苛刻的要求。喷管身部区域需要承受尾焰气流冲击及强烈震动,高速射流速度超过4马赫。喷管延伸段夹层内外仅仅相隔1mm则是冰火两重天:夹层内部流淌着低于-100℃的低温燃料,而在夹层外部则是超过3000℃的超声速尾焰气流冲击,夹层需要承受几十甚至上百个大气压力冲击以及带来的强烈震动;一系列的严苛要求对发动机焊接质量提出了巨大的挑战。

  激光作为火箭发动机身部及喷管延伸段焊接方式有众多优势。传统的火箭发动机喷管延伸段分为:再生冷却式、辐射冷却式、排放冷却式、烧蚀冷风式。真空钎焊是铣槽式再生冷却喷管夹层的常规焊接方法,此方式焊缝强度一般,操作流程复杂,焊接需在真空环境中进行,焊接过程难以实现自动化,且对操作人员技术水平要求较高,制造周期长,生产成本高。经过分析与论证,激光焊接作为铣槽式再生冷却喷管夹层结构焊接的首选,具有制造周期短,自动化程度高,环境要求低等众多优势,可大大缩短火箭发动机喷管研制周期(可压缩至10h),降低喷管的制造成本,从而有效降低火箭的发射成本。

△传统工艺与激光焊接工艺对比

  RK1Z激光焊接系统是大族智能装备集团高功率焊接产品中心为大型火箭发动机等立式回转体激光焊接而开发的成套设备。整套设备最大焊接功率8000W,最大可焊深度10mm,最大可焊直径接近2m,可满足客户未来二级发动机、上面级发动机大面积比喷管焊接需求。经过大量的工艺探索已经成功实现了GH4169&镍、铬锆铜&1Cr18Ni9Ti等异种金属大型薄壁件的焊接。采用上述焊接工艺及装备,焊缝质量能满足客户需求的同时大大缩短了产品交期,极大降低了生产成本及对高水平焊接工人的依赖,其工艺水平达到了国内领先水平。

△RK1Z激光焊接系统

RK1Z激光焊接系统产品特点:

1. 设备通用性强,柔性程度高。适用工件高度200mm～2000mm,最大负载4吨,喷管最大直径2米。Z轴可升降,可满足不同高度工件焊接要求;Y轴可伸缩,在工件吊装时可进行避让。该设备采用立式结构有效避免了因工件自重带来的形变,有利于大尺寸重型零件焊接;

2. 设备精度高。火箭喷管尾筒焊缝密集,且均为叠焊焊缝,一旦将夹层外壁套上开始焊接将不可再目测描点,如果设备精度不够将导致焊接失败。喷管夹层在360度范围内均布近750条长度1．5m的焊缝,焊缝宽度1．1mm±0．3mm,每道焊缝周向偏差0．15mm以内。这相当于在一条总长超过1KM但宽度仅有1．1mm的道路上蒙着眼睛向前跑,任何一点轨迹偏差超过0．15mm产品就会将夹层焊漏导致产品报废。

3. 设备生产自动化程度高,对操作人员技术要求低。设备具有断电记忆功能,避免因为急停、断电等因素导致焊接失败。主机采用回转支承驱动的立式变位机结构,避免了因工件自重带来的形变误差,操作人员只需将装配好的工装工件吊装到设备主机锥形定位面即可,不需二次调整;设备配有同轴CCD,可辅助描点;环形缝焊接时机械臂与旋转轴可根据实际焊缝偏差位置进行七轴联动补偿。

4. 设备生产效率高。首次焊接单个喷管延伸段用时2个工作日,仅相当于传统螺旋管束焊接工艺耗时的1/10～1/15,未来预期可将单件焊接时间压缩至10h以内。

5. 工艺性能好。大族激光开发的焊接工艺很好地解决了大型薄壁工件超密集焊缝焊接形变问题,工艺过程稳定可靠;环形拼接焊缝:8mm厚GH4169&镍焊透,起弧收弧平顺,无明显凹痕,单面焊接双面成型,兼顾产品的强度与气密性要求。可适应各类不锈钢、高温合金、铜合金、铜-钢异种金属、高温合金-不锈钢异种金属焊接。

  该套设备已经进驻客户制造工厂并完成交付,为客户后续火箭发动机批量化生产提供了有力保障。RK1Z激光焊接系统的技术突破大大降低喷管的制造成本,助力开拓航空航天广阔市场;更为重要的是,此工艺可以扩展至其他大型薄壁三维曲面组件焊接领域,极大地增强了激光焊接的竞争实力。