我们这个"钛球",一天被央视报道三次!详情看这里

发布人:制造院
发布日期:2019-01-18

 

20181216日,【万米载人深潜器完成球舱焊接】这一新闻在央视全天共亮相三次。

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钛球是什么?全海深载人潜水器球壳

通过电子束焊接技术连接两个新型钛合金半球形成一个球体,因此“钛球”这样的称呼简直不要太形象。

世界上海底最深达11000米左右,因此这个量级的深度也被称为“全海深”,能够探测到这个深度的载人潜水器则称之为“全海深载人潜水器”。 “钛球”是载人潜水器的核心部件,是潜航员工作的舱室,在万米深海下,球壳表面每平方厘米承受来自海水近1吨的重量,相当于在我们的指甲盖上放1辆小汽车。而焊缝作为连接两半球的桥梁,更是马(lǎo)(zhòng)(yào)(le),在万米深海中作业的潜航员能不能顺利返航,它说了算。

 

焊接这个“球”很难么?

简单来说,制造院所负责的工作就是完成赤道焊缝的电子束焊接。焊缝区别于母体球壳,要让焊缝性能达标,挑战重重。

材料焊接挑战

钛球所用的是一种高强高韧钛合金,对于电子束焊接这种能量密度极高、冷却速度极快、参数调整自由度大的熔焊工艺而言,其性能的调控要与材料热处理工艺、焊接变形、焊缝性能等问题一同考虑,做到一体化协同控制。如同烹饪,厨师的经验、火候的控制、食材的品质、调料的选择,共同决定了菜品的色、香、味。我想,若给予厨师充足的时间和资金,做出一道上等美味未必是件难事,但食客们一定饿疯了。同理,在有限的时间和条件下,如何“烹饪”这道复杂的焊缝,是一个极大的挑战。

焊接尺寸挑战

通常,航空类产品的单条焊缝长度不会超过1m,电子枪工作时间不超过5min。而对于“钛球”来讲,其焊缝直径达2m,焊接厚度超过100mm,焊缝总长达6m以上。“钛球”焊接时电子束流超过250mA,接近设备满功率的90%,焊接时间超过40min,此时灯丝的消耗极大,设备一旦出现故障或灯丝消耗殆尽,束流就会突然停止,零件表面就会留下一个深深的凹坑,这在质量上是无法接受的。这对设备在接近满负载工况下的稳定性提出了极其苛刻的要求!

焊接设备挑战

对于如此巨大的球壳尺寸,放眼国内,几乎找不到合适的设备将它放进去,更何况是焊接。制造院自研的电子束焊机ZD150-60CCV85M,真空室容积达85立方米,理论上可以将“钛球”刚好“塞”进真空室,但需要给设备进行“大手术”——拆除运动平台,并把电子枪由竖直状态调为水平状态,这样才能达到焊接“钛球”的状态,而这个难度已经不亚于重新组装一台电子束焊机了。好在制造院有一流的装备制造团队——205中心。他们完成了数百条电气线路的更改、电子枪拆卸及横置复原、运动系统的拆卸、改装等等,仅电子枪横置改造就耗费了1个月,其中的难度和辛苦可想而知。

焊接装配挑战

如何让一个重达2.5吨、表面光滑且不允许再加工的半球壳体“翻身”?项目团队前期针对吊装设计了多套方案,但实际开展时都犯了难。最后,凭借天车操作人员的丰富经验,利用双吊钩天车的优势,借助巧妙的吊绳排布,配合现场技术人员的精准指挥,他们完美克服了这个难关,成功翻转球壳。

焊接工艺挑战

焊接工艺的挑战是难中之难。电子束焊接和摄影有异曲同工之妙:前者是电子聚焦到工件上,留下痕迹;后者是光子聚焦到感光元件上,留下影像。有一些摄影基础的人都知道,照片的好坏取决于快门、光圈、感光度、拍摄者的经验等。同样的景色,相机采用不同的参数时,拍摄出的照片不一样。电子束焊接也是如此,加速电压、聚焦电流、焊接束流、焊接速度、加载波形,每调整一个参数,就会得到独一无二的焊缝,这使得电子束焊接可以针对不同厚度、不同结构、不同材料的零件进行精准调控。钛球的材料是一种新型钛合金,其焊接应用在国内尚无人开展研究,参数怎么配,方法怎么选,都需要大量的试验来验证。为此,他们进行了上百条焊缝的试验,上百个性能试样的测试,数十次小组讨论和技术交流……

他们实现了什么?

大厚度新型高强钛合金电子束单面焊双面成形

大型球壳结构的电子束焊接尺寸精度控制

无自定位大型球壳结构的电子束焊前装配调试

大型球壳结构长焊缝、长时间、大功率电子束焊接工艺稳定性控制

大厚度钛合金赤道焊缝电子束焊接组织和力学性能均匀性调控

深海蕴藏着经济发展和国防建设不可或缺的战略资源,万米载人潜水器重大专项,关乎着我国在海洋领域诸多方面的话语权,发展以载人潜水器为代表的高技术装备成为海洋强国的普遍共识。这就是为何如此重要的原因。

伴随着屏幕上电子束光斑的逐渐衰减,钛球球壳上留下了层层跌宕似微波一样的焊缝。这就是制造院电子束焊接项目团队不分昼夜共同奋战10个月的心血!会心一笑代替了欢呼雀跃,让我们听听他们的心里话。

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电子束专业学术带头人——毛智勇:“很多人都问,蛟龙号都潜了7500米了,为什么才弄4500米潜水器(即深海勇士号)呢?不是应该直接制造11000米潜水器么?其实是这样的,7500米潜水器的关键部件、机械手、钛球虽然是咱们国家设计的,但是俄罗斯制造的,关键核心技术没有掌握在自己手里,所以专家组还是比较果断的,认为我们应该退一步,先把各个关键部件实现国产化,先做4500米潜水器。4500米是什么概念呢?这个深度基本能覆盖南海,而7500米能把90%的海洋覆盖,所以我们先打好基础,把国产率提上去,再搞万米潜水器,4500米潜水器绝大部分部件使用的都是国产技术,而万米钛球是全国产化的,这就是进步,这样任何一个国家都限制不了咱们。2020年,这个钛球还要到马里亚纳海沟进行科考,所以对咱们国家有很重要的意义!咱们的优势在哪?设备是自己造的,工艺是自己做的,所以对设备非常了解,敢拆、敢改、能恢复,要是买外面的设备,那肯定不敢动啊,接线、改程序、改代码这些都不行。咱们有二三十年的装备经验,这些东西都是一代一代传下来的,这时候就都显出来了,这是工艺研究和装备研发综合能力的体现,也是制造院厉害的地方。”

钛球“缝合手术主导大夫”——唐振云:“整个钛球尺寸太大,必须得把现有的运动平台拆了才能放进去,这还只是整个项目的一小部分。设备稳定性、工装设计加工、性能试样规划和测试、工艺评审、模拟件焊接、零件尺寸测量、零件装配调整、开工状态确认……有一整套复杂的准备工作要做。人员紧张,实在是难上加难。好在同事们都很配合,205的兄弟们花了1个多月的时间为我们调枪(指调整电子枪线路和参数),302中心几乎每天晚上都加班帮我们做测试,我们组内每天加完班还要开小组讨论会,大家都很辛苦。”

一线主力干将——张桉:“说实话今年任务挺多,除了钛球,其他任务也都不能耽误。当钛球项目进入最后阶段,加班成了常态。焊钛球这段时间,大家都付出了很多。付工(付鹏飞研究员)今年体检查出肾结石,一直忍着没去医院看,前段时间在现场吊装半球的时候疼得实在受不了了,还坚持把零件吊到工装上,才让我开车送他到医院。还有王翠玲王姐,这种大零件少不了她,球壳每次翻转都是王姐秀个人技术的时刻,半球在空中翻个儿倍儿利落!但每次钛球放到工装上需要很长时间的调整、测量,这时候必须保证现场人员和零件的安全,吊绳是不能松的,王姐得一直吊着,经常一待就是五六个小时,厕所都上不了。102室的郑斌和他的徒弟也特够意思,在钛球点焊过程中帮了不少忙。进钛球只能从上边的人孔进去,人孔离地至少2米,口径又小,每次钻进去都可费劲了,而且球里不透气,点焊时特别热,烟尘又大,工作环境特别恶劣,可是大家都没有怨言。这样的事还有很多,大兵(刘万富)、阳哥(芦阳)、张师傅(张仕利)、师兄(赵桐),我就不一一说了,大家都是航空报国嘛!”

既能天上飞,更能海底捞

电子束焊接技术主要用于军、民用飞机结构中,主要以框、梁结构和薄壁结构为主,但对万米载人潜水器这种大型、大厚度球壳结构采用电子束焊接技术,不仅属国内首次,国际也尚无先例。经过两年多的攻关,电子束焊接技术取得重要突破,对于提升我国深海运载与探测能力具有重大意义。当然,一切源于团队协作。整个过程,有欢笑、有争吵、有冷静的思考和大胆的尝试......但唯独没有想过放弃。他们连续奋战,牺牲了陪伴家人的时间,刻苦钻研技术,从不喊累,有时忙得都忘记了吃饭……在他们的征途上,有浩瀚蓝天,也有无垠大海,他们在继续挑战极限,实现科研工作者的人生价值,践行航空报国的伟大精神!

 

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