孫世烜，畢煌圣，杜憲策，張 昊，李凱華

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

0 前言

隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，載人登月、空間站建設(shè)以及對深空探測需求的不斷增加，對投送能力更大的重型運(yùn)載火箭的需求越來越迫切[1]。重型運(yùn)載火箭是我國大幅提升空間探索能力的必要途徑，是國家發(fā)展戰(zhàn)略的技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)也是國際上衡量一個(gè)國家航天核心競爭力和綜合科技實(shí)力的重要標(biāo)志[2]。

重型運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)達(dá)到φ10 m級以上，屬于超大直徑火箭，其中為火箭飛行提供燃料貯備的超大直徑貯箱體是箭體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，占整箭質(zhì)量80%以上。大尺寸和低剛性是超大直徑貯箱的結(jié)構(gòu)特征[3]，由于火箭在飛行過程中的工況十分復(fù)雜，因此貯箱結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性是保證重型運(yùn)載火箭在不同環(huán)境及工況下穩(wěn)定飛行的關(guān)鍵。

超大直徑貯箱主要由箱底、筒段、短殼組成。其中箱底上的連接環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且同時(shí)與筒段、箱底圓環(huán)及短殼相連接，如圖1所示。

雖然與短殼連接的環(huán)縫與推進(jìn)劑不直接接觸，但是在重型運(yùn)載火箭飛行過程中卻要承受數(shù)千噸的軸向壓力，工況更為惡劣，因此連接環(huán)與短殼環(huán)縫連接的可靠性將嚴(yán)重影響到重型運(yùn)載火箭飛行的成敗。

本研究以三種構(gòu)型的連接環(huán)為設(shè)計(jì)輸入，以目前國際上航天器制造應(yīng)用最為廣泛的攪拌摩擦焊工藝為技術(shù)基礎(chǔ)，探討不同連接環(huán)結(jié)構(gòu)下短殼與連接環(huán)環(huán)縫裝配焊接工藝方案及可能存在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，一方面為我國重型運(yùn)載火箭連接環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，另一方面為短殼與連接環(huán)環(huán)縫的制造提供技術(shù)支撐。

圖1 重型運(yùn)載火箭超大直徑貯箱三維結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Three-dimensional structure diagram of super large diameter tank for heavy launch

1 國內(nèi)外運(yùn)載火箭連接環(huán)結(jié)構(gòu)及與短殼連接工藝

1.1 國內(nèi)情況

我國現(xiàn)役及在研運(yùn)載火箭主要有CZ-3A系列φ3.35 m運(yùn)載火箭和CZ-5φ5 m運(yùn)載火箭。

CZ-3A系列運(yùn)載火箭使用的連接環(huán)為叉形環(huán)，由2根彎曲后的型材拼焊而成。叉形環(huán)與短殼焊接前加工出鎖底槽，將箱底以“帽裝”的方式放置在地面上，通過人工砸敲方式將短殼與叉形環(huán)插接在一起，使用變極性TIG工藝焊接，如圖2所示。

圖2 CZ-3A系列運(yùn)載火箭叉形環(huán)與短殼連接過程示意Fig.2 CZ-3A series carrier rocket fork and short shell connection process diagram

由于叉形環(huán)與短殼都是拼焊件，兩部段均受焊 接收縮的影響，因此需嚴(yán)格匹配周長尺寸。若短殼周長尺寸小于叉形環(huán)鎖底槽尺寸，會造成兩者套裝困難，若大于則會出現(xiàn)裝配錯(cuò)縫，輕則引起焊接缺陷，重則造成產(chǎn)品報(bào)廢。鎖底焊縫中出現(xiàn)的氣孔缺陷及嚴(yán)重打洞燒穿缺陷如圖3所示。

圖3 鎖底結(jié)構(gòu)焊縫中出現(xiàn)的缺陷Fig.3 Defects in welds at the bottom of the lock

在新一代CZ-5運(yùn)載火箭的研制過程中，為提高產(chǎn)品的制造精度并減少焊縫給結(jié)構(gòu)上帶來的消弱，連接環(huán)設(shè)計(jì)成了Y形環(huán)結(jié)構(gòu)，由整體鍛環(huán)機(jī)加而成，如圖4所示。

圖4 CZ-5 Y形環(huán)結(jié)構(gòu)示意Fig.4 CZ-5 Y ring structure diagram

由于結(jié)構(gòu)上的改變，短殼與Y形環(huán)的連接不再是鎖底連接而是對接。Y形環(huán)與短殼在臥式狀態(tài)下裝配，“傘”狀的支撐桿系帶著焊接墊板從內(nèi)部撐住焊縫，外部利用抱環(huán)固定，通過內(nèi)撐外壓的方式保證裝配質(zhì)量，采用變極性TIG工藝進(jìn)行焊接。

1.2 國外情況

土星五（Saturn V）是美國20世紀(jì)60年代研制的重型運(yùn)載火箭，芯級直徑達(dá)10.06 m，其連接環(huán)采用Y形環(huán)結(jié)構(gòu)，先分段拼焊工藝后機(jī)加制造。Y形環(huán)與短殼在立式狀態(tài)下裝配，采用熔化極氣體保護(hù)焊（MIG）橫焊工藝[4-5]。土星五Y形環(huán)實(shí)物如圖5所示，在焊接的Y形環(huán)與短殼對接焊縫如圖6所示。

圖5 土星五Y形環(huán)實(shí)物Fig.5 Saturn V Y ring in kind

圖6 Y形環(huán)與短殼對接環(huán)縫焊接Fig.6 Y ring and short shell butt joint seam welding

美國弗吉尼亞州漢普頓NASA蘭利研究中心的David W.Sleight等人進(jìn)行了33英尺（10 m）金屬低溫貯箱的概念設(shè)計(jì)，提出超大直徑金屬低溫貯箱概念的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸確定細(xì)節(jié)，分析論證超大直徑貯箱連接環(huán)與短殼采用螺栓連接的可行性。NASA超大直徑低溫貯箱箱底結(jié)構(gòu)及箱底與短殼連接示意如圖7所示。

美國新一代重型運(yùn)載火箭航天發(fā)射系統(tǒng)SLS（Space Launch System）芯級直徑8.38 m，連接環(huán)毛坯件為T字形翻邊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成6段，先采用攪拌摩擦焊拼焊成整圓，后機(jī)加出理論內(nèi)外型面，最后在翻邊上配打出螺紋孔。連接環(huán)與短殼采用螺接的方式連接。SLS連接環(huán)生產(chǎn)過程如圖8所示。

國內(nèi)現(xiàn)役及在研的運(yùn)載火箭連接環(huán)與短殼對接環(huán)縫仍采用焊接這類冶金結(jié)合的方式進(jìn)行連接，而隨著國外重型運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不斷迭代優(yōu)化，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了冷連接（非冶金結(jié)合技術(shù)）的連接方式，降低了設(shè)備、技術(shù)及廠房等方面的投入，提高了連接效率和質(zhì)量。

圖7 NASA超大直徑低溫貯箱箱底結(jié)構(gòu)及箱底與短殼連接示意[6]Fig.7 Brief description of NASA's large diameter lowtemperature storage tank bottom structure and dome and short shell connection

圖8 美國新一代運(yùn)載火箭（SLS）連接環(huán)生產(chǎn)過程Fig.8 US new generation carrier rocket(SLS)connecting ring production process

2 重型運(yùn)載火箭連接環(huán)結(jié)構(gòu)對箭體部段裝配焊接的影響

國內(nèi)外運(yùn)載火箭連接環(huán)的結(jié)構(gòu)主要有3種：叉形環(huán)、Y形環(huán)和帶翻邊結(jié)構(gòu)的T形環(huán)。前兩種均采用焊接方式與短殼連接，而翻邊結(jié)構(gòu)則可采用螺接方式與短殼連接。雖然上述3種結(jié)構(gòu)的連接環(huán)都滿足火箭在飛行過程中復(fù)雜的受力狀態(tài)，但是不同的結(jié)構(gòu)帶來不同的裝配焊接工藝流程及工藝裝配方案。下面以我國重型運(yùn)載火箭連接環(huán)采用的叉形環(huán)、Y形環(huán)及翻邊T形環(huán)為研究對象，分析連接環(huán)結(jié)構(gòu)對箭體部段裝配焊接的影響。

2.1 采用鎖底結(jié)構(gòu)影響

我國現(xiàn)役CZ-3A系列φ3.35 m運(yùn)載火箭連接環(huán)結(jié)構(gòu)為叉形環(huán)。按照現(xiàn)役φ3.35m叉形環(huán)鎖底槽與短殼周長匹配經(jīng)驗(yàn)，短殼內(nèi)型面周長應(yīng)控制在比鎖底槽外型面周長小幾毫米，從而實(shí)現(xiàn)兩部段的緊配合。在裝配時(shí)需8～10名工人先將短殼套裝在叉形環(huán)上，用專用工裝鎖緊兩部段后，采用大錘重力敲擊的方式將短殼下端敲入鎖底槽中。然后松開專用鎖緊工裝安裝在組合件的另一處，再進(jìn)行敲擊裝配。以此類推，直到將整個(gè)短殼套裝入叉形環(huán)鎖底槽中。

整個(gè)裝配過程耗時(shí)長（約半天）、噪聲大、工人勞動強(qiáng)度大，并且重力敲擊產(chǎn)生的沖擊力還會造成短殼與連接環(huán)原本對齊的象限產(chǎn)生偏移，重新對象限還需將兩部段分離，由于是過盈緊配合，在半套裝好的狀態(tài)下人工分離過程更為困難。

重型運(yùn)載火箭連接環(huán)若設(shè)計(jì)為叉形環(huán)結(jié)構(gòu)，采用攪拌摩擦焊制造工藝流程需先在叉形環(huán)上加工出鎖底槽，然后套裝短殼與叉形環(huán)，最后安裝在工位上焊接，如圖9所示。

圖9 重型運(yùn)載火箭叉形環(huán)結(jié)構(gòu)的連接環(huán)與短殼裝配焊接流程示意Fig.9 Schematic diagram of welding process of connecting ring and short shell assembly for heavy-duty launch vehicle fork ring structure

由圖9可知，采用叉形環(huán)結(jié)構(gòu)在焊接工藝方面的風(fēng)險(xiǎn)較小。這是因?yàn)榕c常規(guī)攪拌摩擦焊不同，鎖底焊時(shí)與攪拌針根部接觸的不是鋼制墊板而是母材，避免了產(chǎn)品尺寸超大帶來的圓度不好，以及焊接過程中不斷調(diào)節(jié)攪拌頭壓入量帶來的攪拌針扎墊板問題，能夠保證焊接質(zhì)量。

重型運(yùn)載火箭連接環(huán)采用鎖底結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過程中最大的難點(diǎn)是短殼與連接環(huán)的套裝，主要有兩種情況：

（1）連接環(huán)為機(jī)加件。

若重型運(yùn)載火箭連接環(huán)采用整體鍛環(huán)機(jī)加，則制造精度高，待焊接邊周長尺寸與理論值相差較小，而短殼是多塊零件拼焊而成，其型位尺寸受焊接收縮及變形等因素影響，焊后的環(huán)縫周長尺寸與理論值相差較大，且圓度也差。若采用過盈配合，因產(chǎn)品尺寸巨大，一方面采用人工重力敲擊的力不足以滿足產(chǎn)品裝配要求，另一方面輔助工裝也會隨著產(chǎn)品尺寸的增加而增大，人工裝配和調(diào)節(jié)過程難度極大。

（2）連接環(huán)為拼焊件。

若重型運(yùn)載火箭連接環(huán)與短殼一樣均采用多零件拼焊而成，則兩部段焊后周長尺寸均會與理論值有一定偏差。當(dāng)連接環(huán)鎖底槽外型面尺寸小于理論值，短殼內(nèi)型面周長尺寸大于理論值，兩部段套裝時(shí)會出現(xiàn)裝配錯(cuò)縫；反之，當(dāng)連接環(huán)鎖底槽外型面尺寸大于理論值，短殼內(nèi)型面周長尺寸小于理論值，則會出現(xiàn)過盈的裝配狀態(tài)。總之，連接環(huán)與短殼都采用拼焊方式會增加兩部段周長匹配上相差較大的可能，增加產(chǎn)品制造難度。

綜上所述，重型運(yùn)載火箭連接環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成叉形環(huán)結(jié)構(gòu)，其難度及風(fēng)險(xiǎn)主要是超大直徑短殼與叉形環(huán)的套裝問題。若采用人工，可能無法實(shí)現(xiàn)裝配，若采用自動套裝，則需要研制超大形的自動化對接系統(tǒng)，資金投入大、周期長，無法滿足型號研制需求。

2.2 采用Y形環(huán)結(jié)構(gòu)影響

重型運(yùn)載火箭連接環(huán)采用Y形環(huán)結(jié)構(gòu)，其與短殼連接裝配有兩種方式：一種與CZ-5產(chǎn)品一致，在臥式狀態(tài)下裝配，一種是在立式裝配下裝配。由于超大直徑火箭立式裝配比臥式裝配有優(yōu)勢[6-9]，因此對重型運(yùn)載火箭Y形環(huán)與短殼在立式狀態(tài)下裝配焊接進(jìn)行分析。

采用Y形環(huán)結(jié)構(gòu)的連接環(huán)與短殼立式裝配狀態(tài)示意如圖10所示，其工藝流程如圖11所示。

圖10 短殼與Y形環(huán)立式裝配示意Fig.10 Brief description of short shell and Y ring vertical assembly

圖11 Y形環(huán)與短殼對接環(huán)縫焊接工藝流程Fig.11 Y ring and short shell butt joint seam welding process flow chart

重型運(yùn)載火箭采用連接環(huán)采用Y形環(huán)結(jié)構(gòu)會給工藝裝備、裝配及焊接帶來一定的難度及風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.1 工裝設(shè)計(jì)難度風(fēng)險(xiǎn)

（1）內(nèi)撐楔形塊壓桿與并縫壓桿設(shè)計(jì)難度及風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)役φ3.35 m貯箱鎖底焊撐塊壓桿設(shè)計(jì)思路是在箱底人孔中設(shè)計(jì)芯軸，芯軸上設(shè)計(jì)傘狀盤形結(jié)構(gòu)，盤型結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)頂絲壓桿，焊接過程中壓桿隨著箱底一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。但重型箱底人孔直徑不到φ1 m，而傘狀盤直徑約為φ10 m級，穿過人孔的芯軸直徑小于人孔法蘭內(nèi)徑，難以支撐φ10 m級的傘狀盤質(zhì)量及裝夾頂緊要求。內(nèi)撐楔形塊壓桿與并縫壓桿須在φ10級圓柱面外部設(shè)計(jì)安裝，并且隨著箱底焊接過程同步旋轉(zhuǎn)，需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)相應(yīng)的φ10 m級同步旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。另外，在數(shù)噸焊接頂鍛力作用下[10]，內(nèi)撐楔形塊的剛性必須足夠，焊接完成后楔形塊變形不能太大，否則拆卸困難。

（2）焊接墊板設(shè)計(jì)難度及風(fēng)險(xiǎn)。

短殼內(nèi)型面與箱底外型面之間為不等深空間，Y形環(huán)與短殼對接環(huán)縫到背部母材的距離不大于50mm，如圖12所示（陰影區(qū)域?yàn)椴坏壬羁臻g，黑色部分為焊接墊板）。

圖12 不等深空間及焊接墊板裝配位置示意Fig.12 Unequal deep space and welding plate assembly location diagram

受空間所限，內(nèi)撐工裝楔形內(nèi)撐塊基本只能按照短殼與箱底徑向截面空間形狀設(shè)計(jì)，在φ10 m級直徑上內(nèi)撐工裝楔形內(nèi)撐塊設(shè)計(jì)為數(shù)十塊分體塊或著更多個(gè)分體組合式。由于受空間結(jié)構(gòu)尺寸影響，該焊接墊板無法設(shè)計(jì)出在徑向方向上的尺寸調(diào)整功能，即不可以改變墊板的周長來從內(nèi)部將圓度不好的短殼組件撐圓，無法消除裝配錯(cuò)縫。

2.2.2 裝配難度及風(fēng)險(xiǎn)

（1）短殼與箱底焊前對接難度及風(fēng)險(xiǎn)。

在裝配短殼與Y形環(huán)對接環(huán)縫時(shí)，環(huán)縫對接面寬度僅為十幾毫米，若兩部件圓度相差較大，可能會出現(xiàn)局部能對接上、局部懸空的狀態(tài)，需來回反復(fù)調(diào)整對接精度，在此過程中存在短殼從Y形環(huán)對接面上脫落的風(fēng)險(xiǎn)。并且就目前φ10 m級箱底尺寸而言，Y形環(huán)與短殼環(huán)縫的裝配高度距離平臺約為1 m，短殼上端面距離平臺裝配高度約為2 m，不利于人員觀察產(chǎn)品的裝配狀態(tài)。

（2）焊接墊板裝配難度及風(fēng)險(xiǎn)。

Y形環(huán)與短殼對接后兩者背部形成的不等深空間狹小，尤其是環(huán)縫焊接區(qū)背部空間更窄，短殼的高度較高，不利于操作人員觀察安裝數(shù)十塊分體式焊接墊板。一方面短殼內(nèi)型面與箱底焊接后外型面變形會影響分體式墊板的安裝位置及其與產(chǎn)品的貼合度；另一方面若短殼的高度大于人的身高，則短殼與箱底內(nèi)型面形成的倒三角空間最下端的有效裝配區(qū)域深且狹小，裝配可達(dá)性和可視程度差，無法保證焊接墊板的裝配質(zhì)量。

2.2.3 焊接難度及風(fēng)險(xiǎn)

（1）熔焊。

重型運(yùn)載火箭連接環(huán)與短殼焊接區(qū)厚度最大達(dá)到幾十毫米，由于熔焊的穿透能力有限，無論是立式或臥式，采用橫焊或水平焊，在不開坡口的情況下變極性TIG、VPPA及MIG焊均無法焊透，若開坡口則減小了裝配對接面的接觸面積，增加裝配難度，且焊縫背部空間狹小，無法清理焊漏。

（2）傳統(tǒng)攪拌摩擦焊。

傳統(tǒng)攪拌摩擦焊在焊接對接焊縫時(shí)會產(chǎn)生數(shù)噸的壓力，因此需要在母材的背面安裝焊接墊板，若兩部段周長尺寸匹配不好，會產(chǎn)生錯(cuò)縫及焊縫背部與焊接墊板不貼合。從目前試驗(yàn)結(jié)果來看，厚板攪拌摩擦焊對裝配錯(cuò)縫十分敏感，如果兩部段圓度不好，在大錯(cuò)縫下焊接會出現(xiàn)嚴(yán)重的焊接缺陷，而補(bǔ)焊不但會增加焊縫的殘余應(yīng)力，還會造成焊縫減薄，降低焊縫承載能力。另外，圓度不好導(dǎo)致的焊縫背部與焊接墊板不貼合還會出現(xiàn)攪拌針扎傷墊板事故，嚴(yán)重情況下容易造成產(chǎn)品報(bào)廢。

（3）可回抽攪拌摩擦焊。

可回抽攪拌摩擦焊的攪拌針可以回抽，能夠去除焊縫末端的匙孔，非常適合用來焊接封閉環(huán)縫[11]。但與常規(guī)攪拌摩擦焊類似，可回抽攪拌摩擦焊對裝配錯(cuò)縫同樣敏感，在圓度不好的大錯(cuò)縫下焊接會出現(xiàn)表面溝槽、孔洞、焊縫減薄等缺陷。

（4）雙軸肩攪拌摩擦焊。

雙軸肩攪拌摩擦焊焊接過程中不需要焊接墊板，也可簡化內(nèi)撐工裝的結(jié)構(gòu)。從目前查閱的資料可知[12-14]，下軸肩的厚度越大，越有利于焊縫的成形及保持焊接過程的穩(wěn)定性，同時(shí)能增加攪拌頭整體的剛性，降低攪拌針在焊接過程中折斷的風(fēng)險(xiǎn)?？珊附雍癜搴教煊酶邚?qiáng)度鋁合金的雙軸肩攪拌頭的下軸肩及緊固件的厚度大于短殼與Y形環(huán)環(huán)縫距焊縫背面的距離，如圖13所示（黑色區(qū)域?yàn)殡p軸肩攪拌頭與Y形環(huán)干涉部分），造成焊縫背部的空間及開敞性無法滿足攪拌頭的安裝要求，且下軸肩會與產(chǎn)品干涉。因此該條焊縫不適用雙軸肩攪拌摩擦焊。

2.3 采用翻邊T形環(huán)結(jié)構(gòu)影響

翻邊T形環(huán)結(jié)構(gòu)是美國在SLS上創(chuàng)新的連接環(huán)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)雖然增加了連接環(huán)由多段環(huán)拼焊成整環(huán)的幾條縱縫，但是將連接環(huán)與短殼環(huán)縫的焊接改為了螺接，極大地降低了制造難度、設(shè)備投入和操作者勞動強(qiáng)度，提高了兩部段連接質(zhì)量的一致性和可靠性。

從技術(shù)角度分析，采用翻邊T形環(huán)結(jié)構(gòu)主要有三種實(shí)現(xiàn)形式：

圖13 雙軸肩攪拌頭與產(chǎn)品干涉示意Fig.13 Bobbin tool interference product diagram

（1）整體鍛環(huán)+熱處理+機(jī)加。

目前國內(nèi)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了重型運(yùn)載火箭φ10m級的整體鍛環(huán)的研制[13]，但是要對尺寸如此大的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理還存在一定風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，國內(nèi)熱處理設(shè)備尺寸不能滿足φ10 m級的整體鍛環(huán)產(chǎn)品熱處理工藝需求，重新研制設(shè)備經(jīng)費(fèi)投入大、產(chǎn)出比低、周期長。另外整體鍛環(huán)厚度大，熱處理后鍛件組織的均勻性差，會影響母材的基體性能，因此還需要針對超大尺寸及厚度的產(chǎn)品開展相應(yīng)的熱處理工藝研究，而技術(shù)成熟度不高，難度和風(fēng)險(xiǎn)大。

（2）多鍛環(huán)+熱處理+拼焊+機(jī)加。

多段環(huán)能夠減小鍛件尺寸，現(xiàn)有的熱處理設(shè)備和工藝能夠保證產(chǎn)品熱處理后的質(zhì)量及性能，只是焊接時(shí)產(chǎn)品在毛坯狀態(tài)下的厚度遠(yuǎn)大于產(chǎn)品最終實(shí)際厚度，因此需要投入可焊接超厚板的攪拌摩擦焊設(shè)備，目前國內(nèi)在該型設(shè)備上的技術(shù)成熟度不高。

（3）多鍛環(huán)+熱處理+機(jī)加+拼焊。

第三種形式與第二種形式的區(qū)別主要是先將毛坯件的分鍛環(huán)機(jī)加到圖紙要求尺寸后再進(jìn)行拼焊，該工藝流程的優(yōu)勢是毛坯分鍛環(huán)結(jié)構(gòu)小，現(xiàn)有加工中心能夠滿足加工要求，另外由于分鍛環(huán)先機(jī)加到位，其縱縫焊接區(qū)厚度會大大減小，屬于中厚板焊接，攪拌摩擦焊設(shè)備及工藝技術(shù)成熟度高，利用合適的攪拌摩擦設(shè)備采用常規(guī)攪拌摩擦焊工藝或可回抽工藝即可完成焊接。

由上述分析可知，將連接環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成翻邊T形環(huán)結(jié)構(gòu)后，其制造難度主要是連接環(huán)的制造，短殼與連接環(huán)環(huán)縫則無需再進(jìn)行焊接，連接工藝變得簡單。采用多鍛環(huán)+熱處理+機(jī)加+拼焊的方案基本不需要投入新設(shè)備，制造成本低，制造風(fēng)險(xiǎn)、難度和周期大幅度降低。

3 結(jié)論與展望

重型運(yùn)載火箭連接環(huán)結(jié)構(gòu)直接影響著工裝的設(shè)計(jì)、工藝方法選擇及工藝流程的確定。

在工裝設(shè)計(jì)方面，重型運(yùn)載火箭尺寸超大會降低產(chǎn)品的制造精度，很大概率出現(xiàn)產(chǎn)品焊后圓度不好，連接環(huán)與短殼待焊接環(huán)縫周長尺寸相差大，給不等深空間中焊接墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來一定的難度，工裝在有限的空間內(nèi)不具備周向漲大、徑向撐緊的功能，無法調(diào)整裝配錯(cuò)縫，給兩部段的裝配也帶來很大的挑戰(zhàn)，帶著錯(cuò)縫焊接勢必會造成嚴(yán)重的缺陷，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

在工藝選擇方面，重型運(yùn)載火箭Y形環(huán)結(jié)構(gòu)的連接環(huán)與短殼對接環(huán)縫厚度大，熔焊工藝很難焊透。攪拌摩擦焊及可回抽攪拌摩擦焊可以滿足焊接要求，只是對兩部段的裝配質(zhì)量要求太高，在兩部段圓度及對接環(huán)縫周長尺寸相差較大的情況下焊接過程的穩(wěn)定性及質(zhì)量難以保證。雖然可以將焊接墊板設(shè)計(jì)成同材質(zhì)的鋁合金，焊接后不將鋁制墊板取出，以避免攪拌頭扎傷墊板的風(fēng)險(xiǎn)，但是不取出的墊板會增加廢重，同時(shí)由對接變?yōu)榇罱拥沫h(huán)縫會存在的“Hook”缺陷，降低接頭強(qiáng)度[15-16]。

因此，建議借鑒國外重型運(yùn)載分段環(huán)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在型號的后續(xù)研制階段中論證采用多段環(huán)+外翻邊+與短殼螺接的結(jié)構(gòu)形式，一方面可避免φ10 m級整體鍛環(huán)熱處理后可能出現(xiàn)的組織性能不均勻的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面采用分體鍛環(huán)，國內(nèi)現(xiàn)有熱處理設(shè)備能夠滿足熱處理要求，且小件產(chǎn)品的熱處理工藝技術(shù)成熟度高、質(zhì)量可控性強(qiáng)，一致性好，生產(chǎn)效率和成本也顯著降低。分體鍛環(huán)雖增加了若干條縱縫，但焊縫長度短，型面規(guī)則，采用中厚板攪拌摩擦焊工藝可以實(shí)現(xiàn)可靠連接，焊后形成的整體環(huán)內(nèi)外型面精加工也不存在工藝難點(diǎn)，并且能夠去除縱縫焊接后的微小變形，最終形成內(nèi)部組織均勻、質(zhì)量一致性好、形位尺寸精度高的連接環(huán)。通過在連接環(huán)翻邊及短殼上用專用鉆模配打孔，可以實(shí)現(xiàn)翻邊連接環(huán)與短殼的高質(zhì)量、高效率、高精度的自動化連接，避免人工的高強(qiáng)度裝配及焊接的高風(fēng)險(xiǎn)制造，提高重型運(yùn)載火箭貯箱的制造精度。

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