[发明专利]一种基于激光近净成形技术的航天器球形贮箱制造方法

说明书

本发明提供一种基于激光近净成形技术的航天器球形贮箱制造方法，包括：首先采用贮箱材料进行激光近净成形工艺试验，获得优选激光近净成形工艺参数；其次，对贮箱模型进行预处理并对预处理模型进行分层切片获得贮箱半球加工程序；再次，采用五轴数控激光近净成形机床，编制五轴联动加工程序，从而进行贮箱半球激光近净成形；最后，采用特定焊接工装对后处理的贮箱半球进行对接焊，实现球形贮箱整体制造。本发明提供的一种基于激光近净成形技术的航天器球形贮箱制造方法，不仅能够实现航天器球形燃料贮箱快速高效制造，而且能够避免模具制造，降低生产成本，相比于传统制造方式可缩短生产周期、提高材料利用率、降低生产成本。

技术领域

本发明涉及激光近净成形技术、大倾斜薄壁结构制造领域，特别涉及一种航天器球形燃料贮箱激光近净成形方法。

背景技术

激光近净成形技术是增材制造的一种，是集计算机技术、激光技术、传感器技术及材料凝固学等技术为一体的受多种因素影响的一种新型先进制造技术，适用于金属、陶瓷等多种材料的成形。该技术采用三维建模软件构建零件实体模型并分层切片，生成运动轨迹，并利用高能激光束在金属或陶瓷表面形成熔池，粉末由惰性气体输送入熔池，在激光作用下形成熔覆层，经层层堆积形成实体零件。由于支撑材料、工艺局限等诸多因素的影响，在激光成形过程中很难采用添加支撑的方式来解决大倾斜薄壁结构件成形问题。

随着工业发展对复杂零件修复和直接成形技术的依赖日益增强，具有大倾斜角度特征的复杂零件如发动机叶片、发动机燃烧室腔体、球形贮箱等薄壁结构亟需突破无支撑条件下的大角度成形问题。目前五轴激光近净成形设备是解决大倾斜薄壁壳体结构件直接成形的最有效的方法。

传统球形燃料贮箱的制备方式主要为：(1)对于尺寸不大的球形燃料贮箱采用棒料车削成两个半球，然后通过焊接得到一个完整的整球贮箱；(2)对于尺寸稍大的球形燃料贮箱采用热旋压成型后机加工，随后通过焊接得到一个完整的球形贮箱。航天器用燃料贮箱为保证轻质/高强度一般采用钛合金制备，采用传统机加工的形式制备球形燃料贮箱，从整个棒料到薄壁结构件，材料利用率极低，加工时间长，加工费用高；采用热旋压成型的方式能耗高且不同尺寸的球形燃料贮箱需要制备不同的模具，造成生成周期冗长、成产成本高昂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光近净成形技术的航天器球形燃料贮箱的制造方法，以解决传统球形燃料贮箱加工周期长、贵重金属材料利用率低、加工费用高、加工难度大等问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案是：一种航天器球形燃料贮箱激光近净成形方法，其具体步骤包括：步骤一，进行贮箱材料激光近净成形工艺试验，获得优选工艺参数；步骤二，对贮箱模型预处理，采用分层切片软件对预处理模型进行分层切片，生成加工程序；步骤三，采用数控激光近净成形设备实现贮箱半球近净成形；步骤四，采用焊接工装对经后处理后的贮箱半球进行激光对接焊，实现贮箱整体制造。

优选的，本发明选择航天器球形燃料贮箱材料，例如TC4钛合金，并采用激光近净成形技术进行工艺试验，获得该种材料下不同沉积厚度对应的工艺参数，主要工艺参数为激光功率、扫描速度、送粉速率、沉积方向提升量。

优选的，在对贮箱半球进行分层切片之前对半球模型进行预处理，主要为考虑成形精度、热变形等为后续机加工留充足的加工余量，采用分层切片软件，对预处理模型进行分层切片，生成五轴数控机床加工程序。

优选的，采用五轴数控机床进行贮箱半球激光近净成形，五轴数控机床可以保证激光轴向与熔池法向重合，且两个方向均沿重力方向，这防止了成形过程中由于成形件倾斜角度较大造成的熔池坍塌，保证了大倾斜零件的直接成形。

优选的，采用激光焊接方式对经后处理的燃料贮箱半球进行焊接成型，创新性采用合适的焊接工装，保证了贮箱半球对接焊精度及夹紧，实现燃料贮箱整体制造。

本发明提出的一种基于激光近净成形技术的球形贮箱制备方法具有以下优点：