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大族激光智能裝備集團(tuán)丨異種金屬三維曲面全自動激光焊接解決方案
2021-02-01

    近日,國內(nèi)首臺80噸級液氧甲烷發(fā)動機(jī)200s全系統(tǒng)試車圓滿成功。這臺被譽(yù)為火箭心臟的“龐然大物”正是由大族激光智能裝備集團(tuán)研發(fā)的RK1Z激光焊接設(shè)備焊接完成的。由大族激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)集數(shù)年之功在夾層噴管技術(shù)取得重大技術(shù)突破,實(shí)現(xiàn)了火箭發(fā)動機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域異種金屬三維曲面全自動激光焊接。這也是我國首次將激光焊夾層噴管工藝運(yùn)用在火箭發(fā)動機(jī)噴管上,填補(bǔ)了國內(nèi)該領(lǐng)域的技術(shù)空白。



    近年來,隨著市場對于太空探索需求的迅猛增長以及全球微納衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)化技術(shù)日趨成熟,火箭發(fā)動機(jī)具有巨大的市場缺口。發(fā)動機(jī)作為火箭的心臟,惡劣的工況對火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)提出了苛刻的要求。噴管身部區(qū)域需要承受尾焰氣流沖擊及強(qiáng)烈震動,高速射流速度超過4馬赫。噴管延伸段夾層內(nèi)外僅僅相隔1mm則是冰火兩重天:夾層內(nèi)部流淌著低于-100℃的低溫燃料,而在夾層外部則是超過3000℃的超聲速尾焰氣流沖擊,夾層需要承受幾十甚至上百個大氣壓力沖擊以及帶來的強(qiáng)烈震動;一系列的嚴(yán)苛要求對發(fā)動機(jī)焊接質(zhì)量提出了巨大的挑戰(zhàn)。



    激光作為火箭發(fā)動機(jī)身部及噴管延伸段焊接方式有眾多優(yōu)勢。傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機(jī)噴管延伸段分為:再生冷卻式、輻射冷卻式、排放冷卻式、燒蝕冷風(fēng)式。真空釬焊是銑槽式再生冷卻噴管夾層的常規(guī)焊接方法,此方式焊縫強(qiáng)度一般,操作流程復(fù)雜,焊接需在真空環(huán)境中進(jìn)行,焊接過程難以實(shí)現(xiàn)自動化,且對操作人員技術(shù)水平要求較高,制造周期長,生產(chǎn)成本高。經(jīng)過分析與論證,激光焊接作為銑槽式再生冷卻噴管夾層結(jié)構(gòu)焊接的首選,具有制造周期短,自動化程度高,環(huán)境要求低等眾多優(yōu)勢,可大大縮短火箭發(fā)動機(jī)噴管研制周期(可壓縮至10h),降低噴管的制造成本,從而有效降低火箭的發(fā)射成本。


△傳統(tǒng)工藝與激光焊接工藝對比


    RK1Z激光焊接系統(tǒng)是大族智能裝備集團(tuán)高功率焊接產(chǎn)品中心為大型火箭發(fā)動機(jī)等立式回轉(zhuǎn)體激光焊接而開發(fā)的成套設(shè)備。整套設(shè)備最大焊接功率8000W,最大可焊深度10mm,最大可焊直徑接近2m,可滿足客戶未來二級發(fā)動機(jī)、上面級發(fā)動機(jī)大面積比噴管焊接需求。經(jīng)過大量的工藝探索已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了GH4169&鎳、鉻鋯銅&1Cr18Ni9Ti等異種金屬大型薄壁件的焊接。采用上述焊接工藝及裝備,焊縫質(zhì)量能滿足客戶需求的同時大大縮短了產(chǎn)品交期,極大降低了生產(chǎn)成本及對高水平焊接工人的依賴,其工藝水平達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。


△RK1Z激光焊接系統(tǒng)


    RK1Z激光焊接系統(tǒng)產(chǎn)品特點(diǎn):


    1.設(shè)備通用性強(qiáng),柔性程度高。適用工件高度200mm~2000mm,最大負(fù)載4噸,噴管最大直徑2米。Z軸可升降,可滿足不同高度工件焊接要求;Y軸可伸縮,在工件吊裝時可進(jìn)行避讓。該設(shè)備采用立式結(jié)構(gòu)有效避免了因工件自重帶來的形變,有利于大尺寸重型零件焊接;


    2.設(shè)備精度高?;鸺龂姽芪餐埠缚p密集,且均為疊焊焊縫,一旦將夾層外壁套上開始焊接將不可再目測描點(diǎn),如果設(shè)備精度不夠?qū)?dǎo)致焊接失敗。噴管夾層在360度范圍內(nèi)均布近750條長度1.5m的焊縫,焊縫寬度1.1mm±0.3mm,每道焊縫周向偏差0.15mm以內(nèi)。這相當(dāng)于在一條總長超過1KM但寬度僅有1.1mm的道路上蒙著眼睛向前跑,任何一點(diǎn)軌跡偏差超過0.15mm產(chǎn)品就會將夾層焊漏導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。


    3.設(shè)備生產(chǎn)自動化程度高,對操作人員技術(shù)要求低。設(shè)備具有斷電記憶功能,避免因?yàn)榧蓖?、斷電等因素?dǎo)致焊接失敗。主機(jī)采用回轉(zhuǎn)支承驅(qū)動的立式變位機(jī)結(jié)構(gòu),避免了因工件自重帶來的形變誤差,操作人員只需將裝配好的工裝工件吊裝到設(shè)備主機(jī)錐形定位面即可,不需二次調(diào)整;設(shè)備配有同軸CCD,可輔助描點(diǎn);環(huán)形縫焊接時機(jī)械臂與旋轉(zhuǎn)軸可根據(jù)實(shí)際焊縫偏差位置進(jìn)行七軸聯(lián)動補(bǔ)償。


    4.設(shè)備生產(chǎn)效率高。首次焊接單個噴管延伸段用時2個工作日,僅相當(dāng)于傳統(tǒng)螺旋管束焊接工藝耗時的1/10~1/15,未來預(yù)期可將單件焊接時間壓縮至10h以內(nèi)。


    5.工藝性能好。大族激光開發(fā)的焊接工藝很好地解決了大型薄壁工件超密集焊縫焊接形變問題,工藝過程穩(wěn)定可靠;環(huán)形拼接焊縫:8mm厚GH4169&鎳焊透,起弧收弧平順,無明顯凹痕,單面焊接雙面成型,兼顧產(chǎn)品的強(qiáng)度與氣密性要求??蛇m應(yīng)各類不銹鋼、高溫合金、銅合金、銅-鋼異種金屬、高溫合金-不銹鋼異種金屬焊接。





    該套設(shè)備已經(jīng)進(jìn)駐客戶制造工廠并完成交付,為客戶后續(xù)火箭發(fā)動機(jī)批量化生產(chǎn)提供了有力保障。RK1Z激光焊接系統(tǒng)的技術(shù)突破大大降低噴管的制造成本,助力開拓航空航天廣闊市場;更為重要的是,此工藝可以擴(kuò)展至其他大型薄壁三維曲面組件焊接領(lǐng)域,極大地增強(qiáng)了激光焊接的競爭實(shí)力。大族激光智能裝備集團(tuán)作為全球領(lǐng)先的激光應(yīng)用整體解決方案供應(yīng)商,在激光領(lǐng)域深耕精作,為客戶提供精湛的激光加工技術(shù)支持及全方位的服務(wù),助力智能制造高質(zhì)量騰飛。



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