開發(fā)合作伙伴克服文化和地理挑戰(zhàn)，確保為波音夢想客機(Dreamliner)完成這一大型復合結(jié)構(gòu)的固化處理。

 

2005年5月26日，波音公司將其787夢幻客機的全復合材料中央翼生產(chǎn)合同授予富士重工(FHI，日本名古屋)。這個連接機翼與機身的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)長17.4英尺(前后方向)、寬19英尺、厚4英尺(5.3米×5.8米×1.2米)。早在合同墨跡未干之時，這家波音長期開發(fā)合作伙伴(同時也是斯巴魯汽車制造商)就已開始建造一座面積達100萬平方英尺(逾92,900平方米)的設(shè)施用于生產(chǎn)該結(jié)構(gòu)。新工廠中最大的裝備是一臺約23英尺長、直徑23英尺(7米×7米)的熱壓罐，用于固化中央翼。這臺熱壓罐的制造工作始于近一年前，由位于美國加州的裝備制造商Taricco Corp(長灘市)在地球另一端啟動。

該項目對Taricco Corp.來說非同尋常，不僅因為這臺熱壓罐是該公司有史以來建造的最大設(shè)備之一，更因為這是公司首次未承擔完整項目責任。Taricco Corp.僅負責熱壓罐的設(shè)計與材料供應(yīng)，在富士工廠的建造安裝階段僅被允許擔任技術(shù)監(jiān)督角色。這一限制源于若干實際障礙。首先，熱壓罐的壓力容器體積過大，若公司在加州制造并運輸至日本，日本的道路法規(guī)會禁止其運輸。其次，盡管Taricco Corp.在美國已通過ASME認證，具備熱壓罐建造所需的焊接資質(zhì)，但該公司并未獲得日本JIS標準的同等認證。因此，大部分工作將由后來確定的三個項目合作伙伴之一在現(xiàn)場完成。Taricco的項目經(jīng)理博士解釋道，在日本……大型項目通常會被授予某家大型制造商，但按照慣例，項目任務(wù)會分配給該企業(yè)經(jīng)連會（橫向與縱向整合的聯(lián)盟）的成員。富士重工業(yè)為其經(jīng)連會雇傭了三菱Technos株式會社(MTC，日本東京)擔任熱壓罐設(shè)計與安裝的項目經(jīng)理。然而實際建造工作，MTC則交由新光工程維護有限公司(div.來自日本神戶制鋼所(Kobe Steel, Kobe, Japan)的認證焊接熱壓罐制造團隊—佩頓特別指出，該團隊擁有日本全國焊接冠軍。

美國本土準備

截至2004年7月，Taricco公司已完成熱壓罐的初步工作范圍和初始圖紙——佩頓(Payton)指出該公司創(chuàng)始人兼總裁塔里·塔里科(Tari Taricco)會親自設(shè)計每臺熱壓罐—其團隊已耗費數(shù)月完善設(shè)計細節(jié)。即便在設(shè)計階段，項目協(xié)調(diào)仍是最大挑戰(zhàn)之一。"這個項目要求我們提前完成所有圖紙，以便與日本制造團隊和項目經(jīng)理進行討論。"佩頓表示。“但有時我們無法完成設(shè)計圖，因為日本團隊還在努力完善其規(guī)格細節(jié)。”

一個典型案例是20噸重的電動自動導引車(AGV)，它將用于運輸翼盒工具和鋪層進入熱壓罐。佩頓的團隊必須在熱壓罐內(nèi)部設(shè)計AGV軌道，以適應(yīng)AGV軸距，并確保AGV進出熱壓罐腔室的坡道能夠承受單個車輪的壓力。“日本客戶及其團隊仍在最終確定AGV的車輪數(shù)量以及車輪間距，而我們則被要求完成熱壓罐的內(nèi)部圖紙，”佩頓說道，“這可不是一臺小機器，也不是設(shè)計中微不足道的一部分。”最終，部分設(shè)計特性不得不大幅延遲至制造階段。“實際上我們在完成內(nèi)部最終設(shè)計前，就進行了熱壓罐外殼的水壓測試，”佩頓指出。

壓力容器設(shè)計完成后，1.25英寸/31.75毫米厚的鋼板被切割成所需尺寸并配對到日本，在那里被卷成半圓柱體并組裝成壓力容器的圓柱形外殼。鋼板也被配對到日本用于制造容器的穹頂形端部，即“封頭-heads”，其中一個用于永久固定在組裝好的容器上，另一個則構(gòu)成其巨大的入口門。日本一家分包商將這塊鋼板壓制成“封頭-heads”，隨后將其切成兩半并配對到施工現(xiàn)場。Taricco Corp.制造了兩個鋼鞍座（支撐容器圓柱體的U形固定裝置）和雙層板，然后將其減半，形成圓柱體/鞍座界面，以分配圓柱體的質(zhì)量，避免容器主體上的點壓縮載荷。

Taricco公司的技術(shù)人員還制造了三個直徑為23英尺(7米)的鋼環(huán)，分別用于形成壓力容器門閉合機構(gòu)的頭部配對法蘭、殼體配對法蘭和鎖緊環(huán)。每個鋼環(huán)均采用整體鍛造工藝，經(jīng)機械加工至最終構(gòu)型(公差為25至30密耳)后，為便于運輸被切割成兩半。為確保法蘭半環(huán)能在日本順利重組，每個配對法蘭環(huán)均加工有帶錐形端部的接合臺階，從而使整個配對區(qū)域可完全填滿焊縫。這將確保操作過程中結(jié)構(gòu)完整性，當頭部配對法蘭和殼體配對法蘭配對以密封壓力容器時。鎖定環(huán)包裹著配對的法蘭，仍保持為兩件式結(jié)構(gòu)，在固化操作期間用螺栓固定在一起，以確保閉合處的壓力密封。

繞了半個地球

佩頓和他的團隊跟隨配對的材料和組件，于2005年1月抵達現(xiàn)場，與所有三家日本公司合作。他們審查了設(shè)計的每個方面，并監(jiān)督了每個安裝步驟以確保成功。佩頓回憶道：“我們原本計劃項目耗時約10個月，預計到2005年10月完成。然而，由于設(shè)計要求的變更，熱壓罐最終于2006年5月初完工。”

“光是制定時間表就非常困難，因為熱壓罐與容納它的生產(chǎn)設(shè)施是同時建造的，”佩頓解釋道，并回憶說，“我們到達工地時，那里沒有建筑，沒有地基，只有鋼材躺在雪地里。”為熱壓罐澆筑了一塊1.6英尺/0.5米厚的混凝土墊層，直到建筑地基完成，熱壓罐組件才能被移入室內(nèi)并安置在最終位置。

在臨時基礎(chǔ)上，新光公司將兩個半圓柱體焊接成一個"罐體"，使用一套重型動力滾輪裝置將罐體旋轉(zhuǎn)180度，以便焊接另一側(cè)的接縫。此操作在另外兩個半圓柱體上重復進行。隨后，組裝好的罐體被置于滾輪上，經(jīng)過精確對準形成對接接頭，兩個部分在360度旋轉(zhuǎn)過程中完成焊接。接著，新光公司將封頭半體重新焊接組成前后封頭，并完成鞍座結(jié)構(gòu)的焊接）。

組裝過程因以下事實而復雜化：如果這些大型、重型部件簡單地以直立姿態(tài)組裝并焊接在一起，容器筒體、法蘭和封頭會在自身重量作用下出現(xiàn)下垂。每個部件都會略微失圓，因此無法正確配合。解決方案是遵循Taricco標準做法，該做法基于處理大型金屬部件的豐富經(jīng)驗值：故意將環(huán)件焊接為失圓狀態(tài)，這樣在安裝時，重力作用于環(huán)件的大質(zhì)量會將其拉回正圓狀態(tài)。長金屬柱被點焊到位，以保持橢圓形，同時兩半環(huán)被對接并焊接。整個過程對現(xiàn)場制造人員來說非常陌生且未經(jīng)測試，直到他們發(fā)現(xiàn)這確實能糾正下垂問題。所有焊接完成后，每一處都進行了X光檢查。

起重機吊起后端封頭，將其與筒體的后端開口對齊，然后用夾扣固定到位。（“夾扣固定”是指在筒體和封頭上焊接支架，然后使用楔塊對齊兩者的焊接坡口。焊接坡口需沿直徑25英尺/7.6米的筒體全程緊密對接后進行焊接。筒體與封頭之間的焊縫必須完全穿透1.25英寸/31.2毫米厚的鋼板，直至0.125英寸/3.18毫米的臺階。）

此時，罐體被吊到鞍座上的適當位置。Shinko還鉆穿了貫穿件，并在所有接線和管道必須進入或離開熱壓罐的地方焊接了鋼接頭；容器經(jīng)過壓力測試后，不允許再進行焊接。罐體已連接后蓋，準備接收前蓋和罐門關(guān)閉機構(gòu)。Taricco在監(jiān)督下，Shinko將配合板或連接板夾緊在每個鎖環(huán)半部上，然后在每個板上鉆孔和攻絲，以便將其栓接在封頭和殼體法蘭的正確位置。頭部法蘭和前頭部焊接在一起并放在一邊。接下來，將鎖環(huán)放置在殼體法蘭周圍，整個組件由起重機吊起，緊靠熱壓罐的前部，并在鎖環(huán)保持“松動”的情況下一直固定到位。然后將殼體法蘭焊接到氣缸上。最后，將墊片固定在缸蓋法蘭上，起重機將缸蓋組件拿起并放置在鎖環(huán)內(nèi)，使用六個液壓缸旋轉(zhuǎn)鎖環(huán)將缸蓋鎖定到位。

水壓試驗與安裝

此時，熱壓罐已準備好進行最大工作壓力1.25倍的壓力測試，這是ASME為確保其能承受設(shè)計載荷所需的安全系數(shù)。出于安全考慮，測試使用水而非空氣進行。水具有不可壓縮性，可快速建立壓力而不儲存能量。若使用氣壓測試，即便通過微小裂縫釋放儲存能量的高壓空氣，也可能引發(fā)爆炸。

所有貫穿孔均用鋼制管塞封堵，并使用小型高壓水泵將熱壓罐完全注滿135,000加侖（112萬磅）水。根據(jù)JIS規(guī)范要求，內(nèi)部壓力實際提升至熱壓罐設(shè)計工作壓力的1.33倍，且靜水壓力在各方向均保持均衡。水泵上的校準儀表已通過國家認證檢查員的現(xiàn)場見證與認證。

隨后，熱壓罐被排空并準備搬遷至其永久位置——弗吉尼亞州漢普頓FHI現(xiàn)已完工的復合材料翼盒裝配設(shè)施內(nèi)的下沉式艙室。各種尺寸的大型鋼梁經(jīng)過鉆孔并用螺栓固定，以在運輸過程中提供結(jié)構(gòu)支撐。加固后的熱壓罐隨后被放置在"坦克"（本質(zhì)上是超大滾輪滑板）上，使其能夠通過牽引器被拉入基坑。

測量凹坑以精確對齊熱壓罐。在坑底上畫一條線，標記熱壓罐的水平軸，該線與坑的水平軸對齊。在坑的前部，然后以與第一條線精確成90°角（在幾弧秒內(nèi)）的角度測量第二條線。第二條線將定位熱壓罐輪式門托架的軌道系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須與熱壓罐軸精確成90°角對齊，否則鎖環(huán)將無法正常工作。

門架設(shè)計用于完成兩項任務(wù)：（1）液壓移動前蓋/門蓋，使其能夠密封和打開門口；（2）將前蓋的最大重量向左運輸（正面朝上），直到它離開容器開口。齒輪電機將速度降低到1轉(zhuǎn)/分，并旋轉(zhuǎn)鏈傳動裝置，使托架輪轉(zhuǎn)動，使前端/門沿著坑底的軌道移動。熱壓罐前安裝了一座橋，以跨越這條鐵路坑中的間隙，使AGV能夠從車間穿過熱壓罐內(nèi)部。橋和熱壓罐門的設(shè)計是同步移動的，當熱壓罐門打開時，橋移動到位，當熱壓罐門關(guān)閉時，橋移開。這座橋上的AGV軌道和熱壓罐內(nèi)的AGV軌道之間只有0.125英寸/3.2毫米的間隙。

大氣控制系統(tǒng)

此時，新子開始給熱壓罐內(nèi)部加裝設(shè)備。技術(shù)人員將小鋼針的頭部焊接在熱壓罐外殼的內(nèi)側(cè)。將非常致密、3英寸/76毫米厚的礦工棉板推入鋼針上；然后在鋼針上放置不銹鋼墊圈，再將鋼針彎曲壓在墊圈上，以固定隔熱層。接著，是最后一層鋼板。

用鋁包層覆蓋的板材被固定在熱壓罐內(nèi)部，以覆蓋絕緣層。固定方法是將一條2英寸（51毫米）寬的金屬帶連接到焊接鋼釘環(huán)上，大約每隔3英尺（0.91米）在熱壓罐內(nèi)布置一圈。隨后鋪設(shè)鋁包鋼板材，每塊板材邊緣重疊約0.5英寸（12.7毫米），但留出1英寸（25.4毫米）的間隙。另一條金屬帶被擰緊在上方，使板材能夠包裹內(nèi)部，同時在加熱和冷卻過程中膨脹收縮而不發(fā)生彎曲。利用預裝的穿線管，Shinko公司的技術(shù)人員隨后安裝了照明和儀表的線路。

熱壓罐的燃氣爐位于坑內(nèi)的獨立腔室中，為熱壓罐內(nèi)部安裝的加熱線圈提供熱空氣，用于加熱容器的加壓氣氛。該線圈由兩根直徑3英尺/0.91米的不銹鋼管組成，間距約15英尺/4.57米，通過一系列較小管道連接，全部采用氦弧焊構(gòu)成復雜的循環(huán)系統(tǒng)。隨后，將風扇電機裝入熱壓罐后部的膠囊中。風扇電機的軸通過后壁上的一個小噴嘴進入熱壓罐室（噴嘴不需要壓力密封，因為風扇電機室是壓力容器的一部分）。在熱壓罐內(nèi)部，直徑為7英尺/2.13米的風扇被螺栓固定在軸上。隨后安裝了支撐地板、側(cè)壁和走道的鋼結(jié)構(gòu)，包括地板中用于處理AGV和787翼盒組件及工裝所施加的聯(lián)合載荷的結(jié)構(gòu)——僅零件和工裝的重量就約為20公噸（超過44,000磅）。

該熱壓罐中的氣流設(shè)計不同于標準熱壓罐。標準設(shè)計通常采用單一的環(huán)形管道，推動空氣沿熱壓罐的水平軸流動。在熱壓罐艙中固化零件時，目標是在零件溫度從固化溫度逐步升高、穩(wěn)定再逐步降低的過程中保持溫度的均勻性。由于翼盒的尺寸和形狀，需要同時具備軸向和垂直氣流。這一成果是通過在天花板和地板中設(shè)計若干管道實現(xiàn)的，氣流可通過管道內(nèi)計算機控制的百葉窗進行調(diào)節(jié)，這些百葉窗會根據(jù)零件固化過程中測量到的溫度分布進行調(diào)整。

在熱壓罐中，將通過安裝錐形壁于風扇前方并配置冷卻盤管來進一步控制氣流。這樣，空氣將被吸入風扇的中央進氣口，隨后被徑向推送至熱壓罐后部，經(jīng)過加熱盤管后進入地板和天花板的風道，由風道將空氣向前輸送?？諝鈱⒃跓釅汗耷安康娘L道出口排出，然后沿腔室返回，強制通過冷卻盤管后，由錐形壁引導回風扇進行再循環(huán)。因此，熱壓罐內(nèi)的空氣將始終同時流經(jīng)冷卻盤管和加熱盤管，從而優(yōu)化加熱和冷卻效率。在運行過程中，當僅需加熱時，冷卻盤管會被關(guān)閉，且控制系統(tǒng)會同時管理兩個盤管以調(diào)節(jié)熱壓罐內(nèi)部的溫度。

真空/壓力系統(tǒng)與過程控制

最后，真空/壓力與控制系統(tǒng)安裝完畢。兩臺滑橇式真空泵被固定在熱壓罐左側(cè)的平臺上，連接至100多個水冷真空閥，每個閥門都配有樹脂收集器，并布線至可編程邏輯控制器(PLCs-programmable logic controllers)。

在坑外安裝了一個用于汽化液氮并向熱壓罐供應(yīng)氣態(tài)氮的子系統(tǒng)。這使Taricco提供了一項新功能：能夠使用空氣、氮氣或定制混合氣體進行加壓，并可通過Taricco的熱壓罐控制系統(tǒng)將壓力引入并維持在3%的精度范圍內(nèi)。

Taricco TCS溫控系統(tǒng)是一個獨立套件，由兩臺基于Windows系統(tǒng)的PC(其中一臺作為冗余備份系統(tǒng))、常見品牌PLC硬件組件以及溫控系統(tǒng)軟件組成。(采用標準組件是為了在維修或維護期間避免更換成本高昂且難以采購的替代品。)其中PC機憑借其專利TCS軟件作為操作員界面，運行名為固化周期"配方"的程序，該程序通過以太網(wǎng)連接向PLC發(fā)送一系列設(shè)定值。PLC隨后會引導所有其他裝備，包括真空閥、燃燒系統(tǒng)、加熱線圈、冷卻線圈和風扇，以達到設(shè)定值。佩頓表示，TCS軟件提供廣泛的數(shù)據(jù)記錄、配方管理和存檔以及網(wǎng)絡(luò)支持，并且它可以在任何版本的Windows上運行。他補充說，TCS可以支持多性向語言，并且適用于任何復合材料加工硬件，不僅包括熱壓罐和烘箱，還包括壓力機和樹脂傳遞模塑(RTM-resin transfer molding)裝備。

該控制系統(tǒng)由位于坑左側(cè)上方的控制中心管理，使操作員能夠在加工過程中控制袋內(nèi)真空壓力，從完全真空到熱壓罐內(nèi)部壓力不等。當真空袋裝件放入熱壓罐后，操作員可通過抽真空使袋內(nèi)形成負壓，利用大氣壓力將部件壓緊在工具上。操作員隨后可以通過向袋中泵入空氣來控制壓差，選擇所需的任何壓力，最高可達并包括熱壓罐壓力，對于該熱壓罐而言，該壓力將超過100 psi/6.9 bar。

控制系統(tǒng)不僅管理熱壓罐內(nèi)部空氣的溫度，還管理部件本身的溫度。787中央翼足夠大，預浸料在固化過程中的放熱是一個真正需要關(guān)注的問題。放熱是由樹脂內(nèi)部化學反應(yīng)引起的，當達到臨界溫度時就會觸發(fā)。因此，必須采取措施確保部件能夠緩慢升溫，以控制放熱。零件表面布置的熱電偶將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至TCS計算機，該計算機持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)是否存在超出"recipe"參數(shù)的升溫。若檢測到異常溫升，系統(tǒng)會指令控制加熱/冷卻/風道系統(tǒng)的PLC協(xié)同響應(yīng)，使溫度受控，防止零件任何部位出現(xiàn)"runaway"放熱現(xiàn)象。

在所有系統(tǒng)就位并運行后，使用與每次固化部件相同的程序檢查真空系統(tǒng)是否存在泄漏。首先，操作員抽取全真空，然后將軟管連接到真空閥上，隨后依次打開閥門。連接至真空袋的傳感器會顯示真空袋是否保持全真空狀態(tài)，此時可精確定位并修復泄漏點。在正常操作中，操作員還需測試熱電偶，隨后關(guān)閉罐門并啟動固化周期。

FAA認證并準備投入生產(chǎn)的

FHI的熱壓罐已于2006年6月完工并投入使用，在八至九小時的固化周期內(nèi)可承受139 psi/9.6 bar的壓力和高達400°F/204°C的溫度。翼盒制造設(shè)施于2006年5月開始制作測試面板，F(xiàn)HI于同年9月成功使該設(shè)施獲得FAA對787翼盒組件生產(chǎn)的資質(zhì)認證。此后，作為787驗證和FAA認證流程的一部分，該設(shè)施已完成多個全尺寸翼盒組件的制造。當部件進入生產(chǎn)階段后，已固化的中央翼（段號11）將被運往相鄰工廠—該廠規(guī)模僅為翼盒設(shè)施的一半—在那里與787主起落架艙（段號45）（由另一家787合作伙伴川崎重工生產(chǎn)）進行對接。隨后，組裝件將通過駁船橫穿名古屋海港灣，運抵該市新建的Centair機場，再由改裝過的747運輸機空運至華盛頓州西雅圖的波音埃弗雷特總裝廠。

原文《Inside Manufacturing: An autoclave for the 787 center wing box》

楊超凡