工业机器人“出手” 火箭喷管焊接不那么难了

    竖焊、直接成型、无需在线定位系统……2月25日，蓝箭航天发布工业激光焊接机器人焊接火箭发动机喷管的视频，其自主研发的“天鹊”（TQ－12）80吨液氧甲烷发动机喷管，由机器人进行激光焊接一次成功，目前已经顺利下线。
    “以前熟练的焊接技术人员两个人同时焊接需要一个月时间，现在用机器人焊接两天时间就能完成。”蓝箭航天创始人、CEO张昌武介绍，80吨液氧甲烷发动机的喷管直径约为1米以上，机器人全自动激光焊接，可大幅度降低喷管制造成本，缩短制造周期，提高产品质量，便于实现产品的批量化制造。
    喷管像“蜂巢”，能抗“水深火热”
    火箭发射和飞行时，经过喷管的燃气温度在1000—3000摄氏度之间。“虽然温度没有太阳高，但是每平方米感受到的热量与太阳表面非常接近。”业内专家表示，人类目前掌握的耐高温金属材料，均无法承受。
    为此，液体火箭发动机上使用推进剂对喷管进行冷却。通过将喷管的结构做成夹层，让推进剂在进入燃烧室之前，先在夹层里“转一圈”，带走热量，保证喷管不被烧毁。
    夹层式喷管的横断面更像一个蜂巢板，中间流淌的是“冰”，表面则要耐受太阳般的热度。“水深火热”的模式对夹层间的“牢固度”提出了巨大的挑战。
    工程上保证“牢固度”的方法是依靠焊接，让构成夹层的内外“两体”合为“一体”，但是喷管的结构复杂、外形庞大、且焊接变形控制要求高，一点点裂缝或者气泡就可以造成火箭在飞行过程中喷管损毁，因此对焊接质量提出了非常高的要求。
    机器人“出手”，提质增效
    除了温度的骤变，喷管还要经受各种力的“蹂躏”——轴向的推力、内部的液压、强烈的震动……因此要有足够的结构强度、刚度，但航天部件又要尽可能轻，以提高发动机推重比。因此喷管在轻和薄的同时，又要刚和韧。
    焊接壁管往往小于1毫米，且要克服焊接造成的变形，对于人工来说要求相当苛刻。很多航天“焊将”为了练得合格的技术，甚至手绑沙袋长时间训练。
    “为了实现液体火箭发动机的智能化制造，蓝箭航天‘天鹊’80吨液氧甲烷发动机喷管选择了机器人激光焊接。一年多时间里，我们的工程师不断试验，实现了自主创新，同时建成了喷管机器人激光自动化焊接设备。”张昌武介绍，机器人“焊将”无需使用内壁肋条X光在线定位系统，大幅度降低了设备的复杂性和成本，而且形变可控、可以直接成型。
    由于其柔性化程度高，可达面积大，机器人“焊将”还可兼顾发动机其他零组件焊接。张昌武说，随着后续工艺的进一步成熟，焊接时间有望压缩至10小时以内，制造周期和成本仅为螺旋管束喷管的1／10左右。整套工艺、工装方案已于2018年全面申报发明专利。