载人航天器结构件FSW制造工艺及应用
航空航天航天器制造工艺技术的革新与应用研究
航空航天航天器制造工艺技术的革新与应用研究随着科技的进步和社会的发展，航空航天产业正迎来一次革命性的转变。
航空航天航天器制造工艺技术的创新与应用研究正成为行业发展的核心。
本文将重点探讨当前航空航天航天器制造工艺技术的革新与应用，并展望未来可能的发展方向。
一、材料技术的新突破材料技术一直是航空航天制造工艺的核心。
近年来，新材料的研发不断推动着航天航空器制造工艺的革新。
例如，新型超轻复合材料的应用使得航空器的重量大幅减轻，从而提升了其性能和燃油效率。
此外，高强度合金材料、高温材料等也在航天航空器制造中得到广泛应用，提高了器件的耐用性和可靠性。
二、先进制造工艺的应用随着先进制造技术的不断发展，航空航天器制造过程变得更加高效、精确。
三维打印技术、激光切割技术等典型的高新技术正在被航空航天制造业广泛采用。
这些技术的应用使得航空航天器的制造过程更加灵活，同时也降低了制造成本和时间。
三、智能制造的崛起智能制造是当今航空航天航天器制造领域的一个重要趋势。
利用云计算、大数据、人工智能等技术，航空航天制造过程变得更加智能化。
智能制造提供了更高的生产效率和质量控制水平。
例如，利用人工智能技术进行质量检测和故障预测，可以大大提高航天器的安全性和可靠性。
四、自主研发的重要性航空航天航天器制造工艺技术的革新离不开自主研发的支持。
依赖于进口技术和设备将制约航空航天器制造业的发展。
因此，需要加大对科研机构和企业的支持力度，鼓励其进行自主创新和研发。
只有通过自主研发，才能实现技术的突破和行业的可持续发展。
五、应用前景展望航空航天航天器制造工艺技术的革新已经取得了令人瞩目的成果，但是仍然存在着许多挑战与机遇。
未来，随着航天航空产业的进一步扩大，制造工艺技术的需求将会不断增加。
预计在不久的将来，先进制造工艺、智能制造技术、材料技术等将得到更加广泛地应用。
全球范围内的合作将推动航空航天航天器制造工艺技术的进一步发展。
六、结论航空航天航天器制造工艺技术的革新与应用研究是航空航天器产业发展中的关键环节。
火箭燃料贮箱FSW焊接用组合夹具设计答辩稿
半球面体部分尺寸
半球体由六块完全相同的瓜瓣片焊接而成，上 面开口用来和端盖焊接。 外球面曲面半径为1125mm 壁厚定为10mm 瓜瓣片在h=1008mm处开口，开口处端盖直径 1000mm
薄壁筒体部分尺寸
外轮廓直径与球面体相对，也是2250mm 筒体长度定位4.5mm,比原型贮箱短的多
设计结构-受力挡板
回转工作台
由于球面体由6块瓜瓣片焊接而成，焊接方式为 曲面纵缝，焊机不转动，所以每焊接一次，需 要工件连同夹具旋转60°。 回转工作台主要由电机，一级减速齿轮，涡轮 蜗杆组成传动。 工作台通过6对双列圆锥滚子轴承与两个环形滚 子导轨与底座和涡轮连接。具体见PDF二维图
淘麦刷
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火箭燃料贮箱FSW焊接用组 合夹具
作者：唐筠超 导师：李红军 2013.5.21
分析火箭燃料贮箱组成
1.两端的半球面 分解 体+一端开口加 盖 2.中间的薄壁筒 体
初步设计计划：设计对应的筒体及球面 体夹具。
选取贮箱模型
由于在2014年即将发射的长征五号运载火箭的 燃料贮箱就是使用搅拌摩擦焊（FSW）焊接， 所以选择这种型号的贮箱为被焊接工件原型。
为了尽量减少夹具的重力，设计成如3D图所示
根据支撑面设计筒体夹具总体
球面体夹具主要组成 1.受力支撑板（承受搅拌头轴向压力保护工件， 定位，夹紧） 2.左端面（定位筒体，限制各向自由度） 3.右端面（定位夹紧，环状体外轮廓直径 2000mm） 4.轮子结构（起部分支撑作用，使筒体顺利旋转） 5.底盘（基面） 为了尽量减少夹具的重力，设计成如3D图所示
球面体受力挡板二维
3D模型见PDF_qiu
筒体受力挡板
3D模型见PDF_tong
根据支撑面设计球面夹具总体
航空航天先进材料研发与应用方案
航空航天先进材料研发与应用方案第一章航空航天先进材料概述 (2)1.1 航空航天先进材料定义与分类 (2)1.2 航空航天先进材料发展历程 (3)1.3 航空航天先进材料的重要性 (3)第二章高功能复合材料研发与应用 (3)2.1 复合材料概述 (3)2.2 高功能复合材料研发 (3)2.3 高功能复合材料在航空航天领域的应用 (4)第三章金属材料研发与应用 (4)3.1 金属材料概述 (4)3.2 高功能金属材料研发 (5)3.3 金属材料在航空航天领域的应用 (5)第四章高温材料研发与应用 (6)4.1 高温材料概述 (6)4.2 高温材料研发 (6)4.2.1 高温合金研发 (6)4.2.2 陶瓷材料研发 (6)4.2.3 复合材料研发 (6)4.3 高温材料在航空航天领域的应用 (6)4.3.1 发动机叶片 (6)4.3.2 燃烧室 (7)4.3.3 飞机结构部件 (7)4.3.4 喷嘴 (7)第五章功能材料研发与应用 (7)5.1 功能材料概述 (7)5.2 功能材料研发 (7)5.3 功能材料在航空航天领域的应用 (8)第六章航空航天先进材料制备技术 (8)6.1 先进材料制备技术概述 (8)6.2 材料制备工艺研发 (8)6.2.1 粉末冶金工艺 (8)6.2.2 熔融盐电解工艺 (8)6.2.3 激光熔覆工艺 (8)6.2.4 化学气相沉积工艺 (9)6.3 材料制备设备研发 (9)6.3.1 粉末冶金设备 (9)6.3.2 熔融盐电解设备 (9)6.3.3 激光熔覆设备 (9)6.3.4 化学气相沉积设备 (9)第七章航空航天先进材料功能检测与评价 (9)7.1 材料功能检测概述 (9)7.2 材料功能检测方法 (9)7.2.1 力学功能检测 (9)7.2.2 物理功能检测 (10)7.2.3 化学功能检测 (10)7.3 材料功能评价标准 (10)第八章航空航天先进材料在关键部件的应用 (11)8.1 关键部件概述 (11)8.2 先进材料在关键部件的应用 (11)8.2.1 发动机 (11)8.2.2 机身 (11)8.2.3 机翼 (11)8.2.4 尾翼 (12)8.2.5 起落架 (12)8.3 关键部件材料选型与优化 (12)第九章航空航天先进材料在新型飞行器中的应用 (12)9.1 新型飞行器概述 (13)9.2 先进材料在新型飞行器中的应用 (13)9.2.1 复合材料 (13)9.2.2 金属基复合材料 (13)9.2.3 陶瓷材料 (13)9.2.4 超导材料 (13)9.3 新型飞行器材料研发趋势 (13)9.3.1 高功能复合材料 (13)9.3.2 高温结构材料 (13)9.3.3 智能材料 (14)9.3.4 超材料 (14)第十章航空航天先进材料发展策略与展望 (14)10.1 发展策略概述 (14)10.2 国际合作与交流 (14)10.3 产业政策与发展趋势展望 (14)第一章航空航天先进材料概述1.1 航空航天先进材料定义与分类航空航天先进材料是指在航空航天领域，为满足飞行器轻质、高强、耐高温、抗疲劳、耐腐蚀等功能要求，采用现代材料科学技术研发的新型材料。
飞行器制造中的新型工艺与技术
飞行器制造中的新型工艺与技术在当今科技飞速发展的时代，飞行器制造领域正经历着前所未有的变革。
新型工艺与技术的不断涌现，为飞行器的性能提升、成本降低以及生产效率的提高带来了巨大的机遇。
一、增材制造技术增材制造，也被称为 3D 打印，是近年来在飞行器制造中备受瞩目的一项新型工艺。
与传统的减材制造方法不同，增材制造是通过逐层添加材料来构建物体的。
在飞行器制造中，增材制造技术具有众多优势。
首先，它能够实现复杂结构的一体化制造。
传统制造方法可能需要将复杂部件分解为多个简单零件进行加工，然后再进行组装，这不仅增加了工序和成本，还可能影响部件的整体性能。
而增材制造可以直接打印出复杂的内部结构，如蜂窝状结构或优化的拓扑结构，从而在不增加重量的前提下显著提高部件的强度和刚度。
其次，增材制造能够减少材料的浪费。
由于是按需添加材料，相较于传统制造中需要从大块原材料上切削掉多余部分，增材制造在材料利用率方面具有明显优势，这对于昂贵的航空材料来说尤为重要。
再者，增材制造有助于缩短产品的研发周期。
通过快速打印出原型件，设计人员能够及时对设计进行验证和优化，从而加快产品的上市时间。
然而，增材制造技术在飞行器制造中的应用也面临一些挑战。
例如，打印速度相对较慢，对于大规模生产来说效率可能不足；打印件的表面质量和尺寸精度可能不如传统加工方法；而且，目前可用于航空领域的高性能打印材料种类还相对有限。
二、复合材料制造技术复合材料在现代飞行器制造中的应用越来越广泛。
复合材料由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组成，通过特定的工艺结合在一起，从而获得优于单一材料的性能。
碳纤维增强复合材料（CFRP）是目前在飞行器制造中应用较为成熟的一种复合材料。
它具有高强度、高刚度、低密度的特点，能够显著减轻飞行器的结构重量，提高燃油效率和飞行性能。
在复合材料的制造过程中，预浸料铺放和自动纤维铺放技术是常用的方法。
预浸料铺放是将预先浸渍了树脂的纤维材料按照设计要求铺放在模具上，然后进行固化成型。
火箭燃料贮箱FSW焊接用组合夹具设计答辩稿
火箭燃料贮箱FSW焊接用组合夹具设计答辩稿一、选题背景火箭作为现代航天发射系统的核心设备，其性能的高低直接决定了航天技术的发展程度。
而火箭的燃料贮箱，则是火箭发射时航天器所承载的主要物质，质量的好坏同样会对火箭的性能产生重大影响。
在火箭的制造过程中，焊接技术被广泛应用于燃料贮箱的生产中。
由于燃料贮箱承载的航天器的不断升级，对燃料贮箱的焊接质量和效率要求也不断提高，因此设计出一种高效且精度高的燃料贮箱FSW焊接组合夹具，变得尤为重要。
二、研究目的本论文旨在设计一种针对燃料贮箱的FSW焊接用组合夹具，以提高焊接精度和效率，保证焊接质量，促进航天发射技术的发展。
三、研究内容1. 研究组合夹具的种类和工作原理。
本论文将对现有的组合夹具进行分类，并介绍其基本工作原理，为后续设计提供依据。
2. 分析FSW焊接工艺的特点和要求。
分析FSW焊接工艺的焊接温度、压力、转速、进给速度等关键参数，进而明确要求组合夹具所要具备的功能和特点。
3. 设计燃料贮箱FSW焊接用组合夹具。
根据FSW焊接工艺特点和要求，设计燃料贮箱FSW焊接用组合夹具的具体结构，确定夹具的材料、尺寸、定位方式及夹紧力等参数。
4. 制作组合夹具，并进行测试。
制作设计好的组合夹具，并在实验室内进行焊接实验，对焊接后的质量进行检验，并对组合夹具进行改进。
四、论文结构第一章：选题背景1.1 研究背景1.2 研究意义第二章：组合夹具的种类和工作原理2.1 组合夹具的种类2.2 组合夹具的工作原理第三章：FSW焊接工艺的特点和要求3.1 FSW焊接工艺的特点3.2 FSW焊接工艺的要求第四章：燃料贮箱FSW焊接用组合夹具的设计4.1 燃料贮箱FSW焊接用组合夹具的概述4.2 设计步骤4.3 夹具参数的确定第五章：燃料贮箱FSW焊接用组合夹具的制作与测试5.1 制作组合夹具5.2 焊接实验5.3 改进与测试结果第六章：总结与展望6.1 总结6.2 展望五、预期研究结果设计出一种精度高、效率高、适用范围广的燃料贮箱FSW焊接用组合夹具，且经过实验测试验证，成果可用于航天器的制造中，从而促进航天发射技术的不断发展。
航空航天工程师的航天器制造和装配工艺
航空航天工程师的航天器制造和装配工艺航空航天工程师在航天器的制造和装配过程中扮演着关键的角色。
他们需要熟悉航天器的设计、材料选用、制造工艺等方面知识，并负责确保制造过程的质量和安全。
本文将介绍航空航天工程师在航天器制造和装配过程中所涉及的工艺和技术。
一、航天器制造1.1 航天器设计航天器的制造过程始于设计。
航空航天工程师需要了解航天器的功能和任务需求，然后进行概念设计和详细设计。
在设计过程中，工程师需要考虑结构强度、气动特性、热控制、动力系统等各个方面的要求，并进行模拟和分析。
1.2 材料选用航天器的制造材料是至关重要的。
航空航天工程师需要选择适合航天环境和任务需求的材料，例如高强度轻质合金、碳纤维复合材料等。
材料的选择直接影响着航天器的重量、强度和耐久性。
1.3 零部件制造航天器的制造包括大量的零部件制造过程。
航空航天工程师需要了解各种机械加工工艺，例如铣削、车削、钻孔等，并使用适当的设备和工具进行加工。
此外，还需要进行精密零件制造和特殊工艺的应用，例如焊接、铆接等。
1.4 装配过程航天器的装配是制造过程的关键环节。
航空航天工程师需要准确地将各个零部件组装在一起，并确保其精确度和质量。
装配过程中需要进行精细调整、连接测试和性能验证。
二、航天器装配2.1 装配计划和准备在航天器装配过程中，制定详细的装配计划是必要的。
航空航天工程师需要制定时间表、分配人力资源、准备所需工具和设备等。
此外，他们还需要执行质量管理要求，确保装配过程符合标准和规范。
2.2 装配顺序航天器的装配顺序是根据设计和工艺要求确定的。
航空航天工程师需要根据装配图纸和工艺流程指导，按照正确的顺序进行零部件的组装。
在每个装配环节中，将零部件逐步集成到整个系统中。
2.3 检查和测试在装配过程中，航空航天工程师需要进行多个阶段的检查和测试。
这些包括尺寸检查、连接力测试、流体系统测试等。
通过检查和测试，工程师可以发现问题并及时解决，确保装配过程的质量和可靠性。
搅拌摩擦焊在航天航空工业中的应用
搅拌摩擦焊在航天航空工业中的应用【摘要】本文分析了搅拌摩擦焊（FSW）这项创新的焊接新技术的工艺特性及在航天、航空结构制造领域的应用，同时介绍了国内搅拌摩擦焊发展现状及对航空制造焊接教学实训的指导意义。
【关键词】摩擦焊的定义及分类；FSW原理及工艺特性；FSW在航天航空工业中的应用；国内发展现状1991年，英国焊接研究所（TWI）发明了搅拌摩擦焊（FSW），这项杰出的焊接技术发明正在为世界制造技术的进步做出贡献。
在国外，FSW已在船舶、轨道车辆、汽车工业、轻型商用飞机、世界宇航等诸多制造领域达到规模化、工业化的应用水平。
作为一种新型制造产业，FSW正在世界范围内兴起！1 摩擦焊的定义及分类在压力作用下，通过待焊工件的摩擦界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性流变，通过界面的分子扩散和再结晶而实现焊接的固态焊接方法，叫做摩擦焊。
按与工件的相对运动形式可分为惯性摩擦焊、径向摩擦焊、搅拌摩擦焊、轨道摩擦焊、线性摩擦焊、摩擦堆焊等。
2 搅拌摩擦焊焊接原理及工艺特性2.1 搅拌摩擦焊（FSW）焊接原理FSW焊接过程是由一个高速旋转的圆柱体焊头伸入工件的接缝处与工件摩擦，使连接部位的材料温度升高软化，进行搅拌摩擦来完成焊接的，即防止了塑性状态材料的溢出，同时又起到清除表面氧化膜的作用。
如图1所示。
2.2 搅拌摩擦焊（FSW）的工艺特性2.2.1 FSW工艺参数最重要的参数是：搅拌头的尺寸、圆周速度及与工件的相对移动速度。
表1是几种有色金属常用的焊接速度。
对于铝合金的焊接，焊头的旋转速度可以从几百～几千r/min。
焊接速度在1～15mm/s之间。
所以FSW可以很方便地实现自动控制。
例如，对1100和6061冷轧板进行FSW，板厚6.3mm。
搅拌头的直径为 6.3mm，长度为 5.8mm。
当焊接速度为1～4mm/s，搅拌头的转速在200～2000r/min的范围改变时，形成优质焊缝的最佳转速是400r/min。
航天器制造工艺的创新与改进
航天器制造工艺的创新与改进1. 引言在现代科技不断发展的时代背景下，航天器制造工艺的创新与改进显得尤为重要。
航天器作为人类探索宇宙的工具，其制造工艺的优劣直接决定了任务的成功与否。
本文将针对航天器制造工艺进行探讨，并提出创新与改进的方向。
2. 传统航天器制造工艺传统航天器制造工艺主要包括结构件制造、电气系统集成、发动机装配等环节。
在结构件制造过程中，常用的方法包括焊接、铆接、钎焊等。
电气系统集成主要是将各个子系统组装在一起，并进行测试与调试。
发动机装配则需要高度精密度和专业技术，以确保发动机能够正常工作。
然而，这些传统的制造工艺存在着一些问题，如工艺复杂、时间成本高等。
3. 创新航天器制造工艺为了解决传统航天器制造工艺中存在的问题，一些创新的制造工艺被提出并应用于航天器制造中。
其中最为重要的创新之一是增材制造技术（AM）。
增材制造技术通过逐层堆积材料来构建三维零件，可以大大简化结构件制造过程，并减少材料的浪费。
另外，增材制造技术还可以实现复杂结构的自由设计和优化，提高航天器性能。
4. AM技术在航天器制造中的应用AM技术在航天器制造中有着广泛应用。
例如，利用AM技术可以制造出轻量化的金属喷注室和发动机结构部件，提高整体发动机的性能。
此外，AM技术还可以用于制造蓄能器、航天器外部结构件、通信设备等。
通过使用AM技术，不仅可以实现快速、灵活的制造过程，还可以减少组装工序和焊接工艺，简化生产流程。
5. 航天器数字化制造航天器制造中的数字化制造技术是另一个重要的创新方向。
数字化制造技术包括三维扫描、虚拟现实、物联网等。
三维扫描技术可以用于对航天器进行精确的测量和数据采集，为制造过程提供准确的参考数据。
虚拟现实技术可以对航天器进行虚拟仿真，预测制造过程中的潜在问题，并优化产品设计。
物联网技术可以实现航天器零部件之间的智能连接，提高生产效率和品质控制水平。
6. 改进材料性能航天器制造中材料的性能对于航天器性能至关重要。
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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,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,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点使得这些结构的焊接制造具有一些特殊性,也为Fsw的应用提供了可能,但同时也带来了一些应用上的困难:(1)传统的TIG熔焊工艺使得焊缝存在冶金缺陷,如气孔,夹杂,过烧等,高比强度铝合金的熔焊难以完全消除这些缺陷,FSW则完全避免了焊缝冶金缺陷.(2)焊缝强度系数的提高将为进一步降低壁厚提供了可能,而FSw焊缝的抗拉强度系数通常不小于0.7,比传统熔焊抗拉强度提高15%～20%. (3)载人航天结构的小壁厚设计特点使得构件自身刚度较差,必须考虑焊接变形与残余应力给产品带来的尺寸精度影响,Fsw低热输人特点使得产品的焊接变形与残余应力水平降至最低.(4)由于FSW焊接过程中搅拌工具与工件为刚性接触,载人航天构件复杂的焊缝轨迹对搅拌工具行走精度,工件装配精度提出了更为严格的要求, 必须采用一定的工艺措施来增加其工艺裕度.上述问题的存在使得载人航天结构焊接制造对搅拌摩擦焊技术应用提出了迫切需求,同时也给FSW的应用带来了一定困难,必须通过一系列的工艺手段,才能实现FSW在这些结构制造中的实际应用. 3FSW技术应用的关键工艺结合载人航天产品的材料,结构形状,尺寸,功能等特点,本文研究了在载人航天产品上应用w技术时所面临的一些问题,开发了相应的工艺技术,包括全焊透技术,无匙孔处理技术,缺陷等强补焊技术.3.1全焊透工艺在FSW焊接过程中,焊缝背面通常设置刚性支撑以平衡搅拌工具施加的顶锻力,但由于搅拌工具与母材是刚性接触,若焊接时搅拌针触及背面刚性支撑将导致焊接缺陷.因此往往在搅拌针与工件背面留有0.1mm～0.2mm的背面预留量.图4给出了搅53载人航天2011年第1期成果应用由于背面预留距离的存在,使得焊缝底部的材料不能被搅拌针充分搅拌,通常会出现未焊透或弱连接(Kissingbond)缺陷,在实际产品的FSW生产中,必须解决产品的全焊透问题.基于消除背面预留量,增加焊缝底部材料塑性流动的考虑,本文设计了三种未焊透解决方案,如图5所示.为了评价三种未焊透处理工艺的效果,以6mm厚2219铝合金为例,对不同未焊透处理工艺下的接头抗拉强度,接头背面弯曲角度进行测量,结果如表1所示.拌摩擦焊过程瞬间搅拌工具与母材的相对位置示意图,图中即为背面预留量,6为轴肩下压量,Ol为搅拌工具倾角.…图4搅拌工具与工件的相对位置(a)背面垫板(b)支撑板开槽(c)工件背面开槽图5FSW背面未焊透处理工艺表l不同未焊透措施下的接头性能比较工艺无措施垫板支撑板开槽工件开槽抗拉强度/MPa354.5370.0341.5361.5背弯角度,o57.55.l7.97.从表中可见,在工件背面垫板与在工件背面开槽两种工艺措施能有效消除未焊透或弱连接缺陷, 获得力学性能良好的焊缝.这是因为工件背面开槽能有效增加焊缝底部材料的流动性,背面垫板使得搅拌针长度可以超出板厚范围.此外,对于装配精度高的平板直焊缝,无需进行全焊透处理也能获得较高力学性能的焊缝.实际生产时可根据装配情况,板厚情况选择合适的未焊透处理措施.薄板焊接时对搅拌针位置精度要求更高,倾向于采用背面垫板技术;厚板焊接时倾向于选择工件背面开槽技术.3.2无匙孔处理工艺在航天密封构件的焊接制造中往往涉及封闭焊缝的制造,如图2中各种法兰的焊接,图3中箱底圆环与顶盖环缝,筒段环缝等.FSW焊缝末端往往存在搅拌针的退出孔,即匙孔.对于这种首尾相接的封闭焊缝,无法将匙孔引出到产品外部.因此必须对密封构件进行无匙孔处理.本文开发了一种搅拌针回抽式无匙孔处理技术,如图6所示.图中2为回抽段长度,h为板厚,为轴肩下压速度,为搅拌针回抽速度,d为最终的搅拌轴肩下压54搅拌针__\1_]一-]4轴肩,\r一h\I1￡图6FSW无匙孔处理方法d量.从图6中可见,在焊接结束段,搅拌工具向前行走搭接已焊接好的焊缝,与此同时搅拌针逐渐回抽,轴肩适当下压以填充搅拌针回抽留下的空腔,最后搅拌针与轴肩处于同一平面时可获得无匙孔焊缝. 试验结果表明,在搅拌针回抽式无匙孑L处理技术中,搅拌针的回抽速度是关键参数,表2比较了4mm板厚2219铝合金不同搅拌针回抽速度下的回抽段焊缝性能.表2不同回抽速度下回抽段接头性能比较回抽速度4mm/min6mm/min12mm/min抗拉强度/MPa283.0298.8272.8接头强度系数0.680.720.65成果应用载人航天2011年第1期从表中可见,搅拌针回抽速度对回抽段接头强度影响显着,这是因为回抽速度与焊接速度是相匹配的.搅拌针回抽速度过快,焊缝搭接量小,轴肩下压量大,焊缝减薄明显;回抽速度较小,回抽段距离增加.因为目前的搅拌针回抽通过液压控制,其回抽位置精度不足,过长的回抽段将导致该段焊缝质量不稳定.针对不同板厚,不同焊接速度,存在一个最优的搅拌针回抽速度.3.3等强补焊工艺与其它焊接方法一样,FSW也存在焊接缺陷,典型的如隧道缺陷,孔洞缺陷等.因此,要将FSW应用于产品焊接,必须解决焊缝的补焊工艺问题.由于FSW焊缝组织为锻造组织,传统的手工电弧熔焊技术无法单独用于FSW焊缝补焊.要实现等强补焊, 也需要将补焊处焊缝转变为锻造组织.本文通过对各种补焊方法的比较,给出了不同缺陷情况下的补焊方案,如表3所示.表3不同焊缝缺陷补焊工艺缺陷情况补焊工艺横截面积≤lmm:重复FSW线状缺陷横截面积>lmm排挖缺陷+TIG补焊+FSW板厚≥8mm摩擦塞焊孔洞缺陷板厚≤5Ⅱun填充式摩擦点焊从表中可见,不同的焊接缺陷,不同的焊接对象,所适用的补焊工艺不同.对于线状缺陷,若材料缺失较多,必须填充材料后方能进行补焊.材料填充方法通常采用熔焊手段进行金属过渡.若材料缺失较少,直接重复进行FSW即可排除缺陷,对经历多次FSW的接头性能进行测试,结果如图7所示.一窆一重复焊接次数图7多次Fsw对接头抗拉强度的影响从图中可见,在焊接次数少于3次时,FSW接头抗拉强度略有增加.这与搅拌摩擦焊接头的组织特点有关,焊接过程对焊接区域的材料而言相当于一次局部锻压加工,焊缝组织在少数次加工过程中,其性能不会发生无明显恶化,只有在多次焊接时,才有可能导致焊缝性能的下降.因此,少于3次的重复FSW是线状缺陷的有效补焊手段.对于材料缺失较多的焊缝缺陷,必须重新填充材料方能进行补焊.TIG填丝焊是材料填充的有效方法,具体的工艺措施是先将缺陷排挖,再采用TIG 填丝工艺填满排挖区域,然后对熔焊区域重新进行FSW,表4给出了不同补焊次数下的接头性能比较. 表gTIG+FSW补焊接头性能补焊次数无补焊一次二次抗拉强度/MPa292.5293.0297.0延伸率,%8.08.08.5从表中可见,在二次补焊次数以内,接头性能无明显下降现象,这证明了电弧熔焊+再次FSW也是有效的缺陷补焊工艺.对于孔洞类缺陷,通常有两种补焊方法,一种是摩擦塞焊,另一种为填充式摩擦点焊.上述两种焊接工艺均为固相焊接,补焊组织与原始焊缝组织类似.试验结果表明,焊点质量与原始焊缝质量性能接近[63. 其中摩擦塞焊适用于厚板点缺陷补焊,而填充式摩擦点焊则适用于薄板补焊.4FSW在载人航天结构件中的应用我国载人航天广泛采用高强铝合金与铝锂合金作为结构材料,这些材料在采用传统熔焊工艺进行焊接时,气孔,裂纹等缺陷发生倾向大,接头强度系数低,这使得传统的熔焊工艺受到限制.FSW为上述结构材料的焊接提供了优质的连接工艺,将是未来航天领域首选的焊接技术.综合利用本文在搅拌摩擦焊全焊透工艺,无匙孔处理工艺以及焊接缺陷等强补焊工艺的研究成果,实现了FSW在某些载人航天型号产品中的应用, 下面以图2和图3两类典型的密封构件为例,说明FSW在我国载人航天结构件制造中的应用.图8为载人航天球状拼焊密封构件,其设计图如图2所示.图8所示的球状密封构件,主要由球壳拼焊,法55载人航天2011年第1期堕墨窒望能采用传统的熔焊方法来进行制造.5FSW在我国航天领域应用现状与发展前景搅拌摩擦焊技术在2002年正式进入中国,其中航天制造为搅拌摩擦焊应用的首要领域,取得了大量应用成果.典型的应用领域包括运载火箭,卫星,导弹等飞行器的结构件制造.在运载火箭结构件的制造中,推进剂贮箱是最重要的密封构件,焊接是其关键制造工艺,也是搅拌摩擦焊的首要应用领域.在我国,上海航天设备制造总厂基于我国新一代运载火箭的研制需求,联合研制了我国第一台火箭贮箱纵缝搅拌摩擦焊设备,第一台箱底搅拌摩擦焊设备.现役型号火箭的第一条搅拌摩擦焊贮箱筒段纵缝于2009年3月首次成功发射升空.上海航天设备制造总厂在国内首先实现了全搅拌摩擦焊制造的火箭贮箱箱底,并应用于我国新一代大运载与小型运载火箭,满足了新一代运载火箭研制需求.搅拌摩擦焊的技术优势同样在卫星,导弹等航天结构制造中具有应用需求,其主要的应用领域包括导弹燃料箱,发控柜,卫星承力结构件等.我国目前已实现了直径1.4m,厚度25mm筒体导弹结构件纵,环缝的搅拌摩擦焊制造,并且搅拌摩擦焊制造的导弹结构件已实现成功发射.在卫星制造领域,主要应用于卫星姿控发动机机架,轻型结构件等连接制造.搅拌摩擦焊技术的发明为铝及铝合金等材料的焊接制造提供了一项极具优势的连接手段,但由于该项技术应用于工业领域的时间较短,尚有很多工程应用问题需要解决,主要集中在两个方面:一是工艺技术的进一步发展;二是应用标准的建立和完善.6结论搅拌摩擦焊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.对实际构件应用搅拌摩擦焊所需的关键工艺技术研究表明,工件背面开槽焊接,背面垫板焊接工艺可有效解决FSW接头的弱连接与未焊透缺陷;搅拌针回抽式无匙孔焊接工艺可满足封闭环缝的无匙孔焊接要求;重复FSW,电弧熔焊+FSW,摩擦塞焊,填充式摩擦点焊工艺是实现搅拌摩擦焊焊缝等强补焊的有效图8载人航天FSW拼焊球状构件兰焊接构成,壁厚5ram,直径3m.在所有的焊缝背面均采用了全焊透技术;对于大法兰与小法兰的封闭环缝焊接采用了搅拌针回抽无匙孑L焊接技术;对于局部间隙过大的焊缝,采用了熔焊填充材料+FSW的等强补焊技术.图9为采用FSW与变极性等离子弧焊(VPPA)制造的载人航天大尺寸密封舱体.其设计图如图3所示图9采用FSW+VPPA制造的密封舱体图9所示的大尺寸密封舱体直径3.35m,焊缝壁厚6mm.箱底全部采用了搅拌摩擦焊技术,筒段纵缝也采用了搅拌摩擦焊来进行制造.在箱底焊接时,涉及的封闭焊缝有顶盖环缝,箱底圆环环缝,采用了无匙孔焊接技术;箱底瓜瓣纵缝焊接背面采用了背面垫板的全焊透工艺;筒段纵缝采用了工件背面开槽的焊接工艺.在总对接环缝的焊接上,由于舱体尺寸较大,目前国内尚无针对该焊缝的专用焊接装备,只56壁墨些措施.将上述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.◇参考文献载人航天2011年第1期[1]JATAKV,SEMIATIONSL.Continuousdynamicreerystallizationduringfrictionstirweldingofhighstrengthaluminumalloys.Scripta Mater,2000,43(9):743～749.[2]JohnsonMarryRuth.FrictionstirweldingtakesoffatBoeing.?WeldingJournal,1999,78(2):35～39[3]李宝蓉,张丽娜.H一2B运载火箭贮箱制造技术与应用.航天制造技术,2008,(5):35～37[4]姚君山,徐萌,贾洪德等.推进剂贮箱先进焊接工艺研究进展航空制造技术,2008,8:32～35[5]邢美源,姚君山,刘杰.新一代运载贮箱搅拌摩擦焊应用研究.上海航天,2006,(4):39-43[6]范平章.摩擦塞焊研发与关键问题.航天制造技术,2007,(2):37-40 FSWTechinicsandCorrespondingApplicationsforMannedSpaceflight WeldingStructureFENGXiaosong’XUMeng’QIANJihong(1ShanghaiAerospaceEquipmentsManufacturer2ShanghaiAcademyofSpa ceflightTechnology)Abstract:Thetechnicsoffrictionstirwelding(FSW)isthemostprioritizedweld ingmethodusedforaluminumalloy,and representsadevelopingorientationfortheweldingofmannedspaceflightcomp onentstructure.ThecharacteristicsofweldingstructureinmannedspaceflightareanalyzedandthekeytechnicsinFS Wapplicationareinvestigated.The experimentalresultsindicatethatwiththeapplicationofFSWtechnicsinweldin gmannedspaceflightcomponentstructure,themanufactureofsphericalsealedstructureandlarge-sizedcabinca nberealized.Keywords:FrictionStirWelding;Application;SealedComponentStructure 一—+-——-一+-—---+-—--一+-+(上接第46页)2.04%.由式(18)可得到2000Hz时的功率谱密度值为3.647,与传统计算方法得到的值3.661相比,误差为0.382%.所以,近似表达式的计算精度是足够的.由于功率谱密度曲线的近似表达式是幂函数,可很方便地通过积分得到曲线下的面积,从而得到随机激励的总均方根值.对表1所给的随机激励载荷条件,按近似表达式(16),(17),(18)进行积分,得到总均方根加速度为l4.1g,与14.4g的准确值的误+-—’一一+-—+一-+一—+一-—?一+-+一十*——一+-+一+-+一+?差为2.08%,可满足计算精度要求.5总结在用有限元法对结构进行随机振动分析时,用传统的方法来计算不同频率所对应的功率谱密度值,比较繁琐,效率很低.本文结合实例,用分段函数给出了功率谱密度曲线的标准解析表达式,并进一步给出了特殊情况下的近似解析表达式,使得功率谱密度值的计算简单易行.◇StudyonRandomVibrationPowerSpectrumDensity(PSD)Value CalculationBasedonSegmentalFunctionCHENGengchao (TheNorthWestChinaResearchInstituteofElectronicEquipment) Abstract:InordertoavoidthedefectsoftraditionalPSDvaluecalculatingmetho dwhenanalyzingthestructuralrandomvibrationwithFEAmethod,thestandardanalyticexpressionandtheapproxima teanalyticexpressionofPSDcurveare putforwardwithsegmentalfunction,whichsimplifiesthecalculationofPSDva lue.Keywords:PowerSpectrum;RandomVibration;AnalyticExpression57。