nouvelles de l'entreprise Article de vulgarisation scientifique : Quels matériaux sont utilisés pour le Starship de SpaceX ? Quelles méthodes de soudage sont employées ?

Le parcours évolutif de la technologie de soudage de SpaceX Starship. Initialement, SpaceX prévoyait de construire le Starship en utilisant de la fibre de carbone légère, mais comme elle n'était pas résistante à la chaleur, elle a finalement opté pour l'acier inoxydable économique et durable. Cependant, le processus de soudage de l'acier inoxydable était difficile, et SpaceX a réussi à obtenir un soudage parfait du Starship grâce à des tentatives et des améliorations continues, notamment des techniques telles que le soudage TIG, le soudage laser, le soudage robotisé et le soudage par friction-malaxage. L'application de ces techniques a non seulement amélioré la précision et la résistance du soudage, mais a également amélioré l'apparence du Starship. Le soudage réussi du Starship a jeté des bases solides pour les lancements futurs.

Composition principale du matériau du Starship

Sans les nombreux vols d'essai suborbitaux et les récupérations du Starship de SpaceX, personne n'aurait probablement pensé que Musk choisirait l'acier inoxydable.

Si quelqu'un avait dit dans un cadre professionnel national ou sur Internet avant le décollage du Starship que l'acier inoxydable pouvait vraiment voler dans le ciel, il aurait pu être critiqué par les internautes au point de remettre en question sa vie.

Musk, cependant, a utilisé une grande quantité de matériaux en acier inoxydable sur la fusée Starship, en particulier l'acier inoxydable de la série 300 et l'acier inoxydable 30X auto-développé, ce qui a non seulement réduit le coût de fabrication de la fusée, mais a également amélioré ses performances et sa durabilité.

Le matériau principal du Starship est l'acier inoxydable, en particulier l'acier inoxydable 30X auto-développé par SpaceX.  

L'acier inoxydable 30X présente de nombreux avantages : faible coût, environ 4 $ par kilogramme ; bonnes performances à basse température, avec une augmentation significative de la résistance à basse température, adapté au stockage des carburants oxygène liquide et méthane ; le processus est relativement simple, et la structure souhaitée peut être formée par laminage dans un environnement à basse température ; forte résistance à la chaleur, maintenant une résistance suffisante à des températures de 800 à 1000 degrés Celsius sans nécessiter d'épaisse couches d'isolation ; la résistance structurelle est suffisante, et la conception de la flèche ne nécessite qu'une seule couche de matériau en acier inoxydable, réduisant le poids et simplifiant la structure.

En plus de l'acier inoxydable, le Starship utilise également des matériaux tels que la fibre de carbone et l'alliage aluminium-lithium dans certaines pièces clés. De plus, le bouclier thermique du Starship est composé d'environ 18 000 tuiles noires hexagonales pour assurer la protection lors de l'entrée de l'aéronef dans l'atmosphère.

Le Starship utilise principalement le processus de soudage suivant :

Soudage TIG et soudage laser

Le soudage TIG et le soudage laser sont tous deux utilisés dans le soudage de SpaceX. Le soudage TIG, également connu sous le nom de soudage à l'arc sous protection de gaz inerte tungstène, peut être utilisé pour souder une variété de matériaux métalliques tels que l'acier inoxydable. Il peut fournir des cordons de soudure de haute qualité, un processus de soudage stable, une belle apparence de soudure, une résistance de soudage élevée, et convient au soudage de pièces critiques du Starship. Le soudage laser, quant à lui, présente les avantages d'une densité d'énergie élevée, d'une vitesse de soudage rapide, d'une petite zone affectée par la chaleur et d'un grand rapport profondeur/largeur des cordons de soudure. Il peut réaliser un soudage de haute précision et de haute qualité, et convient aux composants structurels à paroi mince du Starship et aux pièces nécessitant un contrôle élevé de la déformation de soudage.

Soudage à l'arc

Le soudage à l'arc a été utilisé dans les premières versions de réservoirs d'eau du Starship. Le soudage à l'arc est une méthode de soudage courante qui fait fondre le métal par la chaleur de l'arc généré entre l'électrode et la pièce. L'équipement est simple, le coût est faible, l'opération est flexible, et il peut être utilisé pour souder divers matériaux métalliques et pièces structurelles de différentes épaisseurs, mais la qualité et la précision du soudage peuvent être légèrement inférieures au soudage TIG et au soudage laser, la déformation de soudage est importante, et un traitement de nivellement ultérieur est requis, etc.

Soudage par friction-malaxage

Il est rapporté que SpaceX utilise actuellement le soudage par friction-malaxage. Le soudage par friction-malaxage est un nouveau type de processus de soudage inventé par le British Welding Institute en 1991. Il utilise le principe de friction. Un foret rotatif à haute vitesse est inséré dans la jonction de deux plaques métalliques à souder. La friction générée par la rotation à haute vitesse du foret provoque le déplacement et la diffusion rapides des atomes métalliques en contact au sein du métal, joignant ainsi les deux plaques métalliques. Ce processus de soudage présente les avantages de ne pas avoir d'éclaboussures, de point de fusion, d'une qualité de soudure élevée et d'une faible déformation de soudage, et convient au soudage de grandes surfaces de plaques et à la connexion de composants structurels du Starship.

Les principaux avantages du soudage par friction-malaxage incluent :

1.

Haute qualité de soudure : Le cordon de soudure du soudage par friction-malaxage est complété par extrusion à l'état plastique et appartient au soudage en phase solide. Par conséquent, il ne produira pas certains défauts liés à la solidification métallurgique, tels que les fissures, les inclusions, les pores, et la perte par brûlage des éléments d'alliage, etc. Les propriétés du cordon de soudure sont proches de celles du matériau de base, et les propriétés mécaniques sont excellentes.

2.

Faible apport de chaleur : Dans le soudage par friction-malaxage, l'apport de chaleur est relativement faible par rapport au soudage par fusion, et il n'y a pas de fusion du métal à la jonction, ce qui en fait un processus de soudage en phase solide. Cela permet de conserver les propriétés métallurgiques du matériau de base et de souder des matériaux tels que les composites à matrice métallique et les matériaux à prise rapide qui auraient des réactions indésirables avec le soudage par fusion.

3.

Économe en énergie et respectueux de l'environnement : Le soudage par friction-malaxage ne nécessite pas l'ajout de fil et de gaz de protection, et ne produit pas de fumée, d'éclaboussures ou de rayonnement nocif pendant le processus de soudage. C'est une méthode de soudage verte et respectueuse de l'environnement.

4.

Large gamme d'applications : Il peut souder toutes les nuances d'alliages d'aluminium, y compris les alliages des séries 2 et 7 qui sont difficiles à souder avec le soudage MIG. De plus, le soudage par friction-malaxage convient au soudage de matériaux dissimilaires et peut souder des matériaux sensibles aux fissures à chaud.

5.

Facile à utiliser : le soudage par friction-malaxage est facile à mécaniser et à automatiser, avec un équipement simple, une faible consommation d'énergie et de faibles exigences pour l'environnement de travail. Le processus de soudage ne nécessite pas de matériau d'apport ni de gaz de protection, ce qui simplifie la procédure de soudage.

6.

Excellentes performances de joint : les propriétés mécaniques du joint soudé, en particulier la résistance à la fatigue, sont excellentes. Le métal de soudure subit un écoulement plastique, et le joint ne produit pas de structures telles que des cristaux colonnaire. Le raffinage des grains est bénéfique pour améliorer les propriétés mécaniques du joint.

7.

Facile à contrôler : Le soudage par friction-malaxage permet d'obtenir facilement un contrôle précis du processus de soudage, ainsi qu'une entrée, un contrôle et un enregistrement numériques des paramètres de spécification de soudage.

Technologie de soudage automatisé

SpaceX utilise largement des robots de soudage pour le soudage automatisé dans la fabrication du Starship. La technologie de soudage automatisé utilise des systèmes de contrôle et des capteurs avancés pour obtenir un contrôle précis du processus de soudage, assurant la cohérence de la forme, de la taille et de la position du cordon de soudure, réduisant les erreurs humaines dans le processus de soudage, améliorant la fiabilité et la stabilité du soudage, tout en améliorant l'efficacité de la production et en assurant la stabilité et la cohérence de la qualité du soudage.

Pour garantir la qualité de la soudure, SpaceX effectue des inspections et des traitements stricts sur la soudure. Au début, les défauts tels que les bords tranchants et les minuscules fissures étaient éliminés par meulage de la surface de soudure pour réduire le risque de défaillance de la soudure. Dans le même temps, les paramètres du processus et les procédures d'exploitation étaient constamment optimisés pendant le processus de soudage pour réduire le nombre de soudures individuelles et les points de défaillance potentiels et améliorer la fiabilité de la structure globale.

En résumé, le soudage du Starship de SpaceX est une combinaison de soudage laser, de soudage par friction-malaxage, de soudage TIG, etc. Un voyage de mille lieues commence par un seul pas. J'espère que de plus en plus d'entreprises technologiques innoveront et se développeront, auront de grands rêves, feront chaque pas avec assurance, changeront et innoveront constamment, et parcourront le chemin de la fabrication intelligente.