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重型火箭部段装配焊接的影响
孙世烜，毕煌圣，杜宪策，张
昊，李凯华
渊首都航天机械公司，北京100076）
摘要：
重型运载火箭是我国未来实现载人登月、空间站建设以及深空探测的关键。介绍了国内外主流运载火箭连接环的设计结构，并以叉形环、Y 形环及翻边T 形环三种构型作为未来我国重型运载火箭连接环的设计输入，从工艺流程、工装设计及焊接工艺方面详细分析不同连接环结构对重型运载火箭箭体部段装配
焊接的影响，指出连接环与短壳各种连接方式的局限性和优势，为我国重型运载火箭箭体结构设计及研制提供参考。
关键词：
连接环；结构；重型运载；装配焊接中图分类号：TG457文献标志码：
A 文章编号：
1001-2303（2018）04-0001-08DOI ：
10.7512/j.issn.1001-2303.2018.04.01Influence of connecting ring structure on assembly welding of heavy launch
SUN Shixuan ，BI Huangsheng ，DU Xiance ，ZHANG Hao ，LI Kaihua
（Capital Aerospace Machinery Corporation ，Beijing 100076，China ）
Abstract ：
Heavy launch is the key to the future realization of manned lunar landing ，space station constructio
n and deep space exploration.This paper introduces the design structure of the mainstream rocket connecting ring at home and abroad ，and uses the
three configurations of the forked ring ，Y ring and flanging T ring as the design input of the future heavy rocket connecting ring ，the influence of different connecting ring structures on the assembly welding of the heavy launch body is analyzed in detail from the aspects of process flow ，tooling design and welding technology.It is pointed out that the limitations and advantages of the connecting ring and the short shell ，and provides reference for the design and development of heavy vehicle rocket body structure.
Key words ：connecting ring ；structure ；heavy launch ；assembly welding
收稿日期:2017-10-27
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51375150，51205114）作者简介：烜孙世（1985—），男，硕士，工程师，主要从事铝合金
熔焊、搅拌摩擦焊、搅拌摩擦点焊、塞补焊及运载
火箭贮箱焊接技术研究及应用推广工作。E-mail ：174323718@qq 。
本文参考文献引用格式：烜孙世，毕煌圣，杜宪策，等.连接环结构对重型火箭部段装配焊接的影响[J].电焊机，2018，48（04）：1-8.
0前言
随着我国航天事业的不断发展，载人登月、空间
站建设以及对深空探测需求的不断增加，对投送能力更大的重型运载火箭的需求越来越迫切[1]。重型运载火箭是我国大幅提升空间探索能力的必要途径，是国家发展战略的技术基础，同时也是国际上衡量一个国家航天核心竞争力和综合科技实力的重要标志[2]。
重型运载火箭箭体结构达到φ10m 级以上，属
于超大直径火箭，其中为火箭飞行提供燃料贮备的
超大直径贮箱体是箭体结构的重要组成部分，占整箭质量80%以上。大尺寸和低刚性是超大直径贮箱的结构特征[3]，由于火箭在飞行过程中的工况十分复杂，因此贮箱结构的完整性和可靠性是保证重型运载火箭在不同环境及工况下稳定飞行的关键。
超大直径贮箱主要由箱底、筒段、短壳组成。其中箱底上的连接环结构复杂，并且同时与筒段、箱底圆环及短壳相连接，如图1所示。
虽然与短壳连接的环缝与推进剂不直接接触，
图1
重型运载火箭超大直径贮箱三维结构示意
Fig.1
Three-dimensional structure diagram of super large diameter tank for heavy launch
但是在重型运载火箭飞行过程中却要承受数千吨的轴向压力，工况更为恶劣，因此连接环与短壳环缝连接的可靠性将严重影响到重型运载火箭飞行的成败。
本研究以三种构型的连接环为设计输入，以目前国际上航天器制造应用最为广泛的搅拌摩擦焊工艺为技术基础，探讨不同连接环结构下短壳与连接环环缝装配焊接工艺方案及可能存在的技术风险，一方面为我国重型运载火箭连接环结构设计提供参考，另一方面为短壳与连接环环缝的制造提供技术支撑。
1国内外运载火箭连接环结构及与短壳连接工艺
如何只发文字
1.1
国内情况
我国现役及在研运载火箭主要有CZ-3A 系列φ3.35m 运载火箭和CZ-5φ5m 运载火箭。
CZ-3A 系列运载火箭使用的连接环为叉形环，
由2根弯曲后的型材拼焊而成。叉形环与短壳焊接前加工出锁底槽，将箱底以“帽装”的方式放置在地面上，通过人工砸敲方式将短壳与叉形环插接在一起，使用变极性TIG 工艺焊接，如图2所示。
a 完成叉形环焊接
b 加工焊漏槽
c 装配焊接短壳与叉形环
图2
CZ-3A 系列运载火箭叉形环与短壳连接过程示意
Fig.2CZ-3A series carrier rocket fork and short shell connection process diagram
由于叉形环与短壳都是拼焊件，两部段均受焊
接收缩的影响，因此需严格匹配周长尺寸。若短壳周
长尺寸小于叉形环锁底槽尺寸，会造成两者套装困
难，若大于则会出现装配错缝，轻则引起焊接缺陷，
重则造成产品报废。锁底焊缝中出现的气孔缺陷及
严重打洞烧穿缺陷如图3所示。
a气孔缺陷
b打洞缺陷charebelle
图3锁底结构焊缝中出现的缺陷
Fig.3Defects in welds at the bottom of the lock
在新一代CZ-5运载火箭的研制过程中，为提
高产品的制造精度并减少焊缝给结构上带来的消
弱，连接环设计成了Y形环结构，由整体锻环机加
而成，如图4所示。
图4CZ-5Y形环结构示意
Fig.4CZ-5Y ring structure diagram
由于结构上的改变，短壳与Y形环的连接不再
是锁底连接而是对接。Y形环与短壳在卧式状态下
装配，“伞”状的支撑杆系带着焊接垫板从内部撑住
焊缝，外部利用抱环固定，通过内撑外压的方式保
证装配质量，采用变极性TIG工艺进行焊接。
1.2国外情况
土星五（Saturn V）是美国20世纪60年代研制
的重型运载火箭，芯级直径达10.06m，其连接环采
用Y形环结构，先分段拼焊工艺后机加制造。Y形
环与短壳在立式状态下装配，采用熔化极气体保护
焊（MIG）横焊工艺[4-5]。土星五Y形环实物如图5所
示，在焊接的Y形环与短壳对接焊缝如图6所示。
图5土星五Y形环实物
Fig.5Saturn V Y ring in kind
图6Y形环与短壳对接环缝焊接
Fig.6Y ring and short shell butt joint seam welding
美国弗吉尼亚州汉普顿NASA兰利研究中心的
David W.Sleight等人进行了33英尺（10m）金属低
温贮箱的概念设计，提出超大直径金属低温贮箱概
念的结构设计和尺寸确定细节，分析论证超大直径
贮箱连接环与短壳采用螺栓连接的可行性。NASA
超大直径低温贮箱箱底结构及箱底与短壳连接示
意如图7所示。
美国新一代重型运载火箭航天发射系统SLS
（Space Launch System）芯级直径8.38m，连接环毛
坯件为T字形翻边结构，设计成6段，先采用搅拌
摩擦焊拼焊成整圆，后机加出理论内外型面，最后
在翻边上配打出螺纹孔。连接环与短壳采用螺接的
方式连接。SLS连接环生产过程如图8所示。
国内现役及在研的运载火箭连接环与短壳对
接环缝仍采用焊接这类冶金结合的方式进行连接，
a 连接环焊接
b 焊接完成的连接环
c 焊接完成的连接环毛坯件
d 连接环机加
e 完成生产的连接环
图8
美国新一代运载火箭（SLS ）连接环生产过程
Fig.8
US new generation carrier rocket (SLS)connecting ring production process
而随着国外重型运载火箭结构设计上的不断迭代
优化，已经实现了冷连接（非冶金结合技术）的连接方式，降低了设备、技术及厂房等方面的投入，提高了连接效率和质量。
2重型运载火箭连接环结构对箭体部段装配焊接的影响
国内外运载火箭连接环的结构主要有3种：叉形环、Y 形环和带翻边结构的T 形环。前两种均采用焊接方式与短壳连接，而翻边结构则可采用螺接方式与短壳连接。虽然上述3种结构的连接环都满足火箭在飞行过程中复杂的受力状态，但是不同的结构带来不同的装配焊接工艺流程及工艺装配方案。下面以我国重型运载火箭连接环采用的叉形环、Y 形环及翻边T 形环为研究对象，分析连接环结构创造营2020实时排名
图7NASA 超大直径低温贮箱箱底结构及箱底与短壳连接示意[6]
Fig.7
Brief description of NASA's large diameter low -
temperature storage tank bottom structure and dome and short shell connection
对箭体部段装配焊接的影响。
2.1采用锁底结构影响
我国现役CZ-3A 系列φ3.35m 运载火箭连接
环结构为叉形环。按照现役φ3.35m 叉形环锁底槽与短壳周长匹配经验，短壳内型面周长应控制在比锁底槽外型面周长小几毫米，从而实现两部段的紧
配合。在装配时需8~10名工人先将短壳套装在叉形环上，用专用工装锁紧两部段后，采用大锤重力敲击的方式将短壳下端敲入锁底槽中。然后松开专用锁紧工装安装在组合件的另一处，再进行敲击装配。以此类
推，直到将整个短壳套装入叉形环锁底槽中。
元旦主持词开场白整个装配过程耗时长（约半天）、噪声大、工人劳动强度大，并且重力敲击产生的冲击力还会造成短壳与连接环原本对齐的象限产生偏移，重新对象限还需将两部段分离，由于是过盈紧配合，在半套装好的状态下人工分离过程更为困难。
重型运载火箭连接环若设计为叉形环结构，采用搅拌摩擦焊制造工艺流程需先在叉形环上加工出锁底槽，然后套装短壳与叉形环，最后安装在工位上焊接，如图9所示。
a 完成连接环焊接
b 加工对接槽
c 装配焊接短壳与叉形环
图9重型运载火箭叉形环结构的连接环与短壳装配焊接流程示意
Fig.9Schematic diagram of welding process of connecting ring and short shell assembly for heavy -duty launch vehicle fork ring structure
由图9可知，采用叉形环结构在焊接工艺方面的风险较小。这是因为与常规搅拌摩擦焊不同，锁底焊时与搅拌针根部接触的不是钢制垫板而是母材，避免了产品尺寸超大带来的圆度不好，以及焊接过程中不断调节搅拌头压入量带来的搅拌针扎垫板问题，能够保证焊接质量。
重型运载火箭连接环采用锁底结构在生产过程中最大的难点是短壳与连接环的套装，主要有两种情况：
（1）连接环为机加件。
若重型运载火箭连接环采用整体锻环机加，则制造精度高，待焊接边周长尺寸与理论值相差较小，而短壳是多块零件拼焊而成，其型位尺寸受焊接收缩及变形等因素影响，焊后的环缝周长尺寸与理论值相差较大，且圆度也差。若采用过盈配合，因产品尺寸巨大，一方面采用人工重力敲击的力不足以满足产品装配要求，另一方面辅助工装也会随着产品尺寸的增加而增大，人工装配和调节过程难度极大。
（2）连接环为拼焊件。
若重型运载火箭连接环与短壳一样均采用多
非主流情侣qq名
零件拼焊而成，则两部段焊后周长尺寸均会与理论值有一定偏差。当连接环锁底槽外型面尺寸小于理
论值，短壳内型面周长尺寸大于理论值，两部段套装时会出现装配错缝；反之，当连接环锁底槽外型面尺寸大于理论值，短壳内型面周长尺寸小于理论值，则会出现过盈的装配状态。总之，连接环与短壳都采用拼焊方式会增加两部段周长匹配上相差较大的可能，增加产品制造难度。
综上所述，重型运载火箭连接环结构设计成叉形环结构，其难度及风险主要是超大直径短壳与叉形环的套装问题。若采用人工，可能无法实现装配，若采用自动套装，则需要研制超大形的自动化对接系统，资金投入大、周期长，无法满足型号研制需求。
2.2采用Y 形环结构影响
重型运载火箭连接环采用Y 形环结构，其与短壳连接装配有两种方式：一种与CZ-5产品一致，在卧式状态下装配，一种是在立式装配下装配。由
于超大直径火箭立式装配比卧式装配有优势[6-9]，
因此对重型运载火箭Y 形环与短壳在立式状态下装