弧面格栅结构及其制备方法与流程

本发明涉及制造特定金属物品领域，具体地，涉及一种弧面格栅结构及其制备方法。

背景技术：

美国spacex的猎鹰火箭成功回收表明，重复利用火箭运载系统是可行的，在回收过程中，需要用到格栅舵面。前期spacex采用的是铝合金+涂层的舵面，后期为了从更高高度回收火箭的可行性与可靠性，更换成了钛合金格栅结构，该方案虽然比铝制结构更重，但不需要涂层，飞行可控性更好，而且可以无需维护直接重复使用，目前采用铸造加工方式。分析表明，纯钛熔点高达1678℃，铸件格栅结构的壁厚建议不低于8mm，钛合金在机加工性方面也属于难加工材料，格栅结构也限制了机加工工艺的实现，因此，总体制造成本高昂，“格栅舵面可能是猎鹰9火箭身上最昂贵的单个部件”。

国内此前尚未有重复利用火箭运载系统的针对性研究，其他行业应用的格栅结构，也主要采用超塑成形和扩散连接技术来制造，中国专利zl201110203313.3(公开号cn102248383b，公开日2013.4.10)、zl201410332012.4(公开号cn104174751b，公开日2016.8.24)和zl201610740254.6(公开号cn106363375b，公开日2018.7.13)等均提出了针对性的解决方案，可以利用钛合金薄板制造出相对规则形式的封闭腔，最后可以质量较好的钛合金格栅结构。但超塑成形和扩散连接技术方案也存在一些固有的问题：一是技术本身不可避免的如材料利用率低，超速成形带来的尺寸减薄，扩散连接的不完全焊合，以及900℃以上的热循环对材料的损伤等；二是技术过程复杂，门槛较高，对于叶片厚度规格不一致、叶片和边框的夹角不统一，以及幅面尺寸较大的格栅结构，其适应性和经济型受到显著影响。

钛合金焊接结构件通常可以让设计更加轻量化，钛合金激光焊接性良好，接头性能通常可以达到母材强度。中国专利cn107717224a(公开日2018.2.23)公开了一种钛合金空心轻量化翼面的加工方法，针对平面结构的大尺寸钛合金蒙皮骨架封闭结构，提出了激光焊接方法，内部芯格类似于格栅结构，但该方案的相邻筋板(相当于格栅叶片)的连接是通过分别与连接筋的激光焊接来间接连接，边框也配合采用整体边框和分体边框组合而成，工艺过程复杂且焊接变形大，需要整体热校形，成本较高。

针对可重复使用运载火箭对舵面的需求，国内参考了spacex的早期的铝合金格栅结构，以常规格栅为基本样式，在平面单框格栅的基础上，增加了钛合金舵骨结构，舵骨贯穿整个格栅。舵面整体上下轮廓表面为圆柱形。其中，舵骨结构厚度比舵框更厚，其厚度采用梯度结构设计，提出了一种弧面钛合金格栅结构舵面。舵面整体上下圆柱形轮廓表面所在的圆筒面与运载贮箱外表面同轴。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种弧面格栅结构及其制备方法。

根据本发明提供的一种弧面格栅结构，包括舵骨、舵框以及叶片；所述舵骨和叶片设置在舵框内部；所述舵骨与舵框相连；

-叶片与舵骨相连；和/或

-叶片与舵框相连。

优选地：

-所述舵骨与叶片相连处设置有合适尺寸的凹槽；和/或

-所述舵框与叶片相连处设置有合适尺寸的凹槽；

其中，所述合适尺寸，是指能够与叶片的端部配合的凹槽尺寸。

根据本发明提供的一种弧面格栅结构的制备方法，包括如下步骤：

接头设计步骤：将带有合适尺寸凹槽的舵骨和舵框，作为接头设计方案；所述合适尺寸是指能够与叶片的端部配合的凹槽尺寸，所述合适尺寸凹槽分别设置在舵骨与叶片的连接处、舵框与叶片的连接处；

部件制备步骤：根据接头设计方案制造舵骨、舵框以及叶片；

预处理步骤：通过辅助工装，将舵骨、舵框以及叶片装配到位；

焊接步骤：将舵骨、舵框以及叶片组合焊接，完成制备。

优选地，本发明提供的弧面格栅结构的制备方法还包括：

激光点焊步骤：在焊接步骤前，使用激光点焊固定全部焊缝。

优选地，所述激光点焊步骤的工艺参数为：

激光功率：500w～1000w；

焊接速度：0.5m/min～2m/min。

优选地，所述焊接步骤中，采用激光焊接的方法，焊接对接焊缝的第一部分；随后整体翻转弧面格栅结构，采用激光焊接的方法，焊接对接焊缝的第二部分。

优选地，采用向上的立焊工位进行焊接。

优选地，激光焊接的工艺参数为：

激光功率：500w～5kw；

焊接速度：0.5m/min～5m/min。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的弧面格栅结构具有结构简单、可靠性好、制备方便的优点；

2、本发明通过采用叶片插入舵骨、舵框上凹槽的接头形式，可以高效快速的实现叶片与舵骨舵框的相对位置定位和交叉叶片的导向；并且能够大幅简化数量较大的舵骨、舵框和叶片结构装配过程，降低装配难度和工作量；能够提高产品尺寸制造精度，尤其是舵骨、舵框和叶片之间的位置和夹角关系。同时能够减小舵面的重心位置偏移，提高舵面飞行时的控制性能；

3、本发明通过采用立向上焊接工位，先焊接焊缝一半长度，再整体翻转后焊接另一半长度的工艺措施，可以有效解决焊缝贯穿舵面带来的施工难题，简化工装结构设计。同时，反复的翻转焊接，可以有效提高焊接热输入的对称性，减小舵面整体结构的焊接变形。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的弧面格栅结构优选例的示意图；

图2为本发明提供的弧面格栅结构的制备方法优选例中的激光焊接示意图。

图中示出：

舵骨1

舵框2

叶片3

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种弧面格栅结构，包括舵骨1、舵框2以及叶片3；所述舵骨1和叶片3设置在舵框2内部；所述舵骨1与舵框2相连；

-叶片3与舵骨1相连；和/或

-叶片3与舵框2相连。

优选地：

-所述舵骨1与叶片3相连处设置有合适尺寸的凹槽；和/或

-所述舵框2与叶片3相连处设置有合适尺寸的凹槽；

其中，所述合适尺寸，是指能够与叶片3的端部配合的凹槽尺寸。

根据本发明提供的一种弧面格栅结构的制备方法，包括如下步骤：

接头设计步骤：叶片3与舵骨1、舵框2之间为贴合面，也是对接焊缝接头所在位置，在贴合面处的舵骨1、舵框2上开一定深度和长度的凹槽，实现叶片3插入凹槽的接头形式，将带有合适尺寸凹槽的舵骨1和舵框2，作为接头设计方案；所述合适尺寸是指能够与叶片3的端部配合的凹槽尺寸，所述合适尺寸凹槽分别设置在舵骨1与叶片3的连接处、舵框2与叶片3的连接处；

部件制备步骤：根据接头设计方案制造舵骨1、舵框2以及叶片3；

预处理步骤：将舵骨1、舵框2和叶片3进行酸洗、烘干以及标记，随后通过辅助工装，将舵骨1、舵框2以及叶片3装配到位；

焊接步骤：将舵骨1、舵框2以及叶片3组合焊接，完成制备。

具体地，本发明提供的弧面格栅结构的制备方法还包括：

激光点焊步骤：在焊接步骤前，使用激光点焊固定全部焊缝。

更具体地，所述激光点焊步骤的工艺参数为：

激光功率：500w～1000w；

焊接速度：0.5m/min～2m/min。

所述焊接步骤中，采用激光焊接的方法，焊接对接焊缝的第一部分；随后整体翻转弧面格栅结构，采用激光焊接的方法，焊接对接焊缝的第二部分。并且采用向上的立焊工位进行焊接。

激光焊接的工艺参数为：

激光功率：500w～5kw；

焊接速度：0.5m/min～5m/min。

进一步的，本发明通过采用叶片插入舵骨、舵框上凹槽的接头形式，采用立向上焊接工位，先焊接焊缝一半长度，再整体翻转后焊接另一半长度的工艺措施，有效解决焊缝贯穿舵面带来的施工难题，并大幅简化操作过程，提高格栅舵面的制造质量和效率。采用线切割钛合金板材制造舵框2和叶片3；采用机加工制造舵骨1，并在舵骨1、舵框2上制造凹槽，凹槽底部与叶片的贴合面为圆柱面，且焊点长度为10mm。

更进一步地，本发明的优选例如下：

依据舵面动力学计算或者服役受力条件，舵骨1采用厚度阶梯减小变化的梯度设计，最大厚度为15mm，部分叶片厚度选择2mm，部分叶片选择4mm，边框厚度选择4mm，叶片3和舵框2宽度约为110mm，保证舵面整体呈圆柱形，柱形半径为1900mm。叶片3与叶片3之间采用互相卡口的装配位置关系，卡口宽度为2mm或者4mm，如图1所示。

叶片3插入舵骨1、舵框2上凹槽，如图1所示。

所述的格栅制造包括如下步骤：

(1)部件准备，采用激光切割技术切割出叶片3和舵框2结构，激光切割主要工艺参数为：气体压力0.1-10bar，激光功率1kw-10kw，切割速度1m/min-5m/min。

(2)机加工制造舵骨1。

(3)将叶片3和舵框2进行酸洗、烘干、标记。

(4)通过辅助工装，将舵骨1、舵框2和叶片3安装到位。

(5)采用激光焊接技术，对每条焊缝上点焊2条焊点。激光点焊主要工艺参数为：激光功率500w-1500w，焊接速度0.5m/min-2m/min。

(6)采用激光焊接工艺和立向上焊接工位，选择叶片3与叶片3之间、叶片3与舵框2、叶片3与舵骨1、舵框2与舵框2、舵框2与舵骨1的对接焊缝，焊接该焊缝的上半部分，激光焊接主要工艺参数为：激光功率500w-5kw，焊接速度0.5m/min-5m/min。

(7)将舵面整体翻转，采用激光焊接工艺和立向上焊接工位，焊接焊缝剩余的半部分，激光焊接主要工艺参数为：激光功率500w-5kw，焊接速度0.5m/min-5m/min。

(8)循环进行步骤(6)和步骤(7)。

(9)焊接结束。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。