载人航天器结构件FSW制造工艺及应用

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1、载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用

2、载人航天器结构件FSW制造工艺及应用载人航天2011年第1期成果应用载人航天器结构件FSW制造工艺及应用封小松徐萌钱纪红2(1上海航天设备制造总厂2上海航天技术研究院)摘要搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding,FSW)技术是铝合金最具优势的连接手段,是载人航天关键构件的焊接制造发展趋势.分析了载人航天焊接结构件特点,研究了实际结构件应用搅拌摩擦焊所需的关键技术,研究结果表明该关键工艺应用于载人航天结构件的焊接,实现了球状密封构件,大尺寸密封舱体的搅拌摩擦焊制造.1引言关键词搅拌摩擦焊应

3、用密封构件分类号V261.3+4文献标识码A文章编号1674—5825(2011)01—0052—06搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding,FSW)是英国1991年发明的,这项技术的出现给铝合金的焊接带来了革命性的变化.这是一种基于微区锻造的固相焊接技术,焊接过程由搅拌针与轴肩的旋转和移动来实现,如图1所示.由于在焊接时材料不发生熔化,其连接机制为塑态金属在高流动应力作用下的连续动态再结晶【1..因此FSW与传统的熔化焊接手段相比,具有一系列的优点:如无冶金缺陷,接头力学性能好,对焊前

4、处理要求低,生产效率高,变形极小和残余应力低等.FSW所具有一系列的优点使得其在铝合金焊接领域表现出极大的技术优势,在大量采用铝合金作为结构材料的航天工业中,搅拌摩擦焊首先得到图1搅拌摩擦焊示意图了应用.随着Fsw的优势被人们所逐渐认识和工艺技术的进一步发展,FSW在航天领域的应用正在逐渐扩大.在国外,FSW已在航天工业中获得了全面应用.如美国已将搅拌摩擦焊用于DehalV火箭贮箱制造,贮箱上所有焊缝均由FSW完成,焊缝总长已达1200m,无任何缺陷12].此外,美国还将FSW应用于航天飞机外贮箱的

5、制造.在13本,全搅拌摩擦焊的推进剂贮箱已被应用于H2B火箭[31.在我国,目前已实现现役型号火箭贮箱筒段纵缝的FSW应用,并表现出了良好的技术优势I4～.本文介绍了我国载人航天焊接结构特点,结合其结构特点研究了搅拌摩擦焊在这些结构中应用的关键工艺,为载人航天结构件应用搅拌摩擦焊技术提供支持.2载人航天铝合金焊接结构件特点在我国载人航天关键结构件的制造中,由于对接头性能,减重效果,制造精度的要求越来越高,采用搅拌摩擦焊可增加接头强度系数,提高构件焊后形状精度,将其替代传统熔化焊手段是载人航天结构件,

6、特别是大尺寸薄壁密封构件制造的发展方向之一.下面以载人航天中典型的两类密封构件为例,来稿13期:2010—09—02;修回日期:2010—12—28.作者简介:封小松(1978.12一),男,博士,工程师,主要从事航天结构焊接技术研究与生产工作.52成果应用说明其结构特点.一种为类球状密封构件,另一种为大尺寸密封舱体.在我国载人航天结构中,这两类构件为典型的密封件,焊接制造是其关键工艺.图2给出了类球状密封构件的一个例子.从图中可见,这类构件的制造通常由球壳拼焊,各种法兰焊接构成,由于形状的复杂性,

7、其涉及的焊缝轨迹包括各种法兰的封闭焊缝,各类不同形状球壳的拼焊焊缝.载人航天2011年第1期图2载人航天球状密封构件图3给出了另一种尺寸更大的密封结构示意图,这种结构在航天中被广泛用于密封舱体的设计,典型的如各类火箭推进剂贮箱,载人航天密封舱等.图3载人航天大尺寸密封舱体从图中可见,这类舱体结构主要由前后箱底,筒段,短壳组成,主要的焊缝包括箱底瓜瓣纵缝,箱底圆环与顶盖环缝,筒段纵缝,总对接环缝等焊缝组成,涉及的焊缝种类多,焊缝轨迹复杂.从上述载人航天密封构件的例子可见,与传统的航天铝合金构件相比其结

8、构上具有一些自身特点:(1)载人航天构件需要在外太空长时间飞行,构件的精度与复杂度达到了很高的程度,而复杂的空间工作环境也使得构件对焊缝可靠性要求更高.(2)载人航天的任何载荷均需要从地面进行输送,长距离与长时间的空间飞行也使得构件对减重的需求特别迫切.(3)出于减重需要,载人航天焊接结构通常采用小壁厚设计,并往往采用损伤容限高的材料.(4)载人航天任务复杂,批量小,种类多,构件设计的形状相对复杂,使得焊缝轨迹复杂多变,往往涉及三维空间曲线焊缝.上述载人航天密封结构特