中国首台火箭用搅拌摩擦焊机交付 技术国际先进

提起火箭贮箱总对接环缝的焊接，很容易联想到一群工人拖着大筒段在不同工位间不停地忙碌。“不久后，这样的一幕将很难再见到了。”中国航天科技集团公司首席工艺专家、集团公司八院149厂总工程师兼副厂长郭立杰感慨地说。

近日，我国首台大型环缝总对接搅拌摩擦焊接装备在中国航天科技集团公司八院149厂完成研制，并交付车间使用。该装备可在同一工位实现大型火箭贮箱多节筒段与箱底的装夹运动、端面铣削、支撑定位、搅拌摩擦焊接和质量监控等，总体性能和技术指标达到国际先进水平，为实现运载火箭贮箱全搅拌摩擦焊提供了先进可靠、拥有自主知识产权的关键高端装备。

高端装备自主化

走进149厂焊接现场，一台20多米长的庞然大物赫然出现在眼前：左侧是新一代运载火箭的贮箱，3个筒段已经完成环缝焊接；右侧是内支撑，是一个像伞一样可以分16个弧面不同程度收缩的“轱辘”；中间则是一个车装焊一体化的龙门式机床，配有焊接主轴、外夹盘、压力和温度监测装置、摄像头等，堪称巨型设备与精密仪器的完美结合。

“这就是目前国内第一台可实现火箭贮箱总对接环缝搅拌摩擦焊接、第一台集成多种多功能、体积最大的搅拌摩擦焊接装备。”据航天工程装备（苏州）有限公司副总经理乔汝旺介绍，在美国、日本等工业先进国家，搅拌摩擦焊技术已逐步替代了以往的熔焊工艺，航天大型关键结构的铣削、装夹、焊接一体化数控复合加工技术与装备首先是在这些国家得到工业应用。

我国搅拌摩擦焊技术研究及装备研制尽管起步比一些工业先进国家较晚，但差距并不大。在新一代运载火箭研制需求牵引下，经过多年的努力，149厂和211厂逐步探索出部分搅拌摩擦焊装备和工艺，在火箭贮箱筒段纵缝、箱底纵缝和环缝以及其他一些航天产品上得到了应用，并成功推广到电子、电力、船舶、铁道车辆等行业。

今年4月，该厂已成功用这台装备焊接了直径3.35米的运载火箭贮箱试验件。结果表明，与传统熔焊相比，该试验件焊接变形明显减小，无焊接缺陷，焊接过程中没有弧光、辐射和金属蒸发，真正实现了高质量、绿色环保制造。

功能集成创新多

“它并不是简单的功能集成和设备放大，而是使用了很多新技术、新材料、新工艺和新装置。”该厂项目团队成员细数道，“其中最关键的是高精度装配技术。”

由于搅拌摩擦焊接产生的顶锻力会使焊接工件发生偏移和变形，如何在几吨力的作用下，使工装仍然保持足够的刚性是设备制造的关键技术之一。为此，研发人员花了半年的时间，对多个800毫米直径的缩比试验件进行了试验摸索。

设计人员最终创新研发出“外夹内撑”式装夹机构，同时，支撑机构中的拉紧机构还能产生一定范围的侧向拉力以拉紧待焊的焊缝。该工装安装简易、对零件状态适应性强，实现了大型环缝搅拌摩擦焊的有效背部支撑，保证了工件圆度和焊前对接间隙满足搅拌摩擦焊工艺要求。

焊接完成后，焊接主轴在焊缝的终点留下了一个孔，这个孔必须收掉。“国外普遍采用塞焊的方式实现收孔，但可以有更合适的方法。”郭立杰说。为解决这个问题，他们创新研制出具备电伺服回抽功能的搅拌摩擦焊电主轴；电主轴电机带动搅拌针转动、回抽电机带动搅拌针变化伸出部分的长短，以此消除“匙孔”。此项技术达到了国际领先水平。

目前，国外同类设备焊接轴大都在机床9点方向。该厂设计人员通过仿真发现，搅拌头在这个位置上焊接，设备会出现一定移动现象。他们创新出12点方向的方案。“我们希望能总结出更好的技术，研制出更多不同设备，让客户有更多的选择。”郭立杰说。

汗水浇灌研发路

谁能想到，取得如此多成绩的背后，竟是一个平均年龄不到30岁的研发团队。他们中的很多人一毕业就来到149厂参与到项目中。在这个项目上，他们倾注了太多的心血。

“他们并不只做自己职责范围内的工作，而是全程跟进。”据乔汝旺介绍，去年五一期间是完成设计图纸最关键时期，设计人员一天都没休息。当时负责画图的严军富想请一天假，回宁波老家办婚礼，却迟迟说不出口。当负责人知道后，给他批了三天假，他回来后主动加班到很晚。“一生中能有机会做这样一次大的项目，对我一生的职业生涯都是很大的激励。”严军富说。

项目团队的技术人员都是身兼三职：设计员、工艺员和现场工程师，自己出图，与加工人员一起，现场解决设计、材料、工艺和加工等问题。他们白天忙碌在各个生产现场，晚上回到办公室画图，休息日共同开展“头脑风暴”。

在外支撑方案论证阶段，国内很难找到研发团队所需的大型的锻件，也很少有企业有相应的大型螺旋槽加工机床。研发团队展开了拉网式搜索，最终在沈阳找到一家机床厂，但他们一个圆盘的开价就是数百万元。设计人员不断优化设计方案，多次与工厂相关专家和负责人沟通，最终谈定的价格还不到原来的三分之一。

运载火箭贮箱总对接环缝搅拌摩擦焊设备研制成功，是该厂在航天高端装备制造道路上的一个里程碑节点。“尽管这条道路走得并不顺畅，现在的设备还有一些需要完善和优化的地方。”郭立杰介绍说，“波音、SpaceX等公司的同类设备是依托外部专业公司力量完成的。作为航天人，自己用的高端制造装备，只要我们用心做，就肯定能做成，而且一定会比国外做得更经济、更实用。”