大型客机机体壁激光焊接工艺分析

将传统铆接机身壁板更换为焊接一体化机身壁板，可大大减轻部件重量，降低制造成本，提高生产效率，成为大型民用飞机制造技术的发展趋势之一。 。由于双激光束焊接对于皮肤长筏结构的减重效果更有效，并且对于复杂部件具有更好的空间可达性，因此受到广泛关注。目前，空中客车等航空制造商已在其各种型号上采用激光焊接整体面板制造技术。然而，基于焊接的整体机身壁制造技术是当代民用机器制造技术的难点之一。目前，新型铝合金焊接技术的机身墙板在我国大型客机的设计中有其自身的特点。铝合金激光焊接概述自1960年第一台激光焊接机诞生以来，激光焊接技术发展迅速。 1965年，开发了一种用于厚膜组装焊接的红宝石激光焊接机。 1974年，世界上第一台五轴激光加工机 - 龙门激光焊接机在福特汽车公司建造。后来，美国福特汽车公司开发了激光焊接生产线。如今，用于焊接的激光发生器已经从第一代CO2气体激光器发展到YAG固态激光器，以及最新的光纤激光器。激光焊接的最大优点是其能量集中，焊接接头具有大的纵横比和小的焊接变形。随着激光光束质量的不断提高，激光焊接已成为一种成熟的焊接方法，广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域。铝合金具有低密度，良好的耐腐蚀性，高抗疲劳性，高比强度和比刚度，是飞机结构的理想材料。近年来，虽然钛合金和复合材料等新材料在航空航天工业中受到广泛关注，但由于资源丰富，性能优良，加工容易，铝成本低，传统铝合金的新热处理状态继续。开发以及新铝合金（如铝 - 锂合金）的出现，可以预见，在很长一段时间内，铝合金在飞机结构中的应用仍然具有不可替代的优势。因此，铝合金焊接技术已成为重要的技术关键。采用激光焊接技术连接铝合金航空航天部件具有焊缝宽宽比大，焊接热影响区小，焊接变形小，焊接速度快等优点。但是，铝合金的激光焊接存在一些技术难题。 （1）铝合金对激光束具有非常高的表面初始反射率（对于CO2激光器超过90％，对于YAG激光器为80％），这需要在熔池形成之前具有大的激光功率，由于由于冶金和工艺等多种因素的影响，铝合金的激光焊接过程更容易产生气孔。（3）铝合金是一种典型的共晶合金，在激光快速凝固的条件下更容易产生热裂纹。焊接，（4）激光焊接间隙适应性小，焊件装配精度高，（5）铝合金线膨胀系数大，易发生焊接变形，（6）铝合金有导热系数大，冷却时间短，熔融冶金反应。不充分，容易造成缺陷。（7）液态铝合金流动性好，表面张力低，熔池稳定性差。尽管存在上述困难，激光焊接技术仍然是航空航天工业中铝合金焊接最有效的方法之一。通过不断的测试和研究，激光焊接逐渐证明了其良好的工艺性能和焊后机械性能。与传统的TIG焊接和MIG焊接相比，激光焊接具有焊接质量高的特点，高精度，高速度。它是增长最快，研究最多的方法之一。近年来，许多国际研究人员对铝合金激光焊接进行了大量研究，逐步形成了相对可靠的铝合金激光焊接技术。大型客机机身墙板激光焊接方案在我国大型客机设计方案中，机身前部下壁部分和机身中后部的制造过程采用激光焊接工艺。前机身焊接壁的位置如图1所示。以壁板为例，单壁板尺寸为4276 mm×1350 mm，壁板厚度为1.8 mm，有如图1所示，在单个壁板上有九个条带。 2。因此，它是典型的大尺寸，小厚度和多个焊接的复杂焊接工艺。在上述机身皮带焊接方案中，主要使用双激光束双面同步焊接工艺。飞机壁板剥皮pur条T型连接结构双激光束双面同步焊接是一种新的焊接工艺。由于采用T形结构的双激光双面同步焊接工艺，传统的T形单面焊双面成型工艺避免了损坏底板（皮）的完整性，而且工艺可以与传统的铆接工艺相比，大大提高了。因此，减少部件的重量在航空航天工业中是有利的。然而，由于壁和pur条的厚度仅为1.8mm，并且单壁在长度和宽度方向上都具有大尺寸，因此需要在构件中形成多个高强度有效焊接。控制焊接不足，抑制焊接变形和应力集中，焊接部件满足设计单元的静强度，疲劳强度和损伤容限，工艺明显困难。更重要的是，民航制造业的质量评价体系比航空航天，军用航空等制造业领域更为严格。新的工艺必须得到适航当局的批准。随着中国大型客机项目的启动，我国对机身壁面T型连接结构双激光束的双激光同步焊接技术进行了研究，取得了初步成果。然而，目前还没有成熟的机身壁T形结构的双激光束和机身的长跨度双面焊接技术。仍然难以生产满足要求的大型客机主体的整体焊接侧板。激光焊接工艺分析大型客机机身壁1焊接工艺稳定性大客机机身壁皮长桁激光焊接部件（图3），单焊长度可能超过4m，并且由于皮和长筏很薄，因此，有效保持焊接过程稳定性的能力是焊接生产成功的关键之一。在该解决方案中，在皮肤的两侧使用双激光束以在两侧同时焊接。为了保持皮肤外侧的完整性，焊接过程不能穿透皮肤，并且T形结构不需要过多地强调纵横比。它是形成连续，无缺陷，高性能焊接接头的关键。因此，在激光深熔焊接过程中必须保持孔和熔池的稳定性。主要从两个方面：一方面，从焊接工装和设备支撑的角度来看，保持高精度夹紧和激光聚焦，对中，维护机器人（或数控机床）控制焊头运动过程具有更高的重复定位精度另一方面，由于液态铝合金的流动性好，表面张力低，熔池稳定性差，铝的电离能低，焊接过程中，如果需要，跟踪定位精度，使用适当的跟踪系统光致等离子体易于过热和膨胀，并导致焊接稳定性差。因此，研究应该d从焊接冶金的角度进行。 2焊接缺陷控制焊接过程中形成的缺陷是直接影响焊接质量的最重要因素。大型客机壁铝合金激光焊接过程中最可能出现的缺陷是孔隙和裂缝。关于铝合金激光焊接孔的形成机理（图4）目前还没有统一的完整理论，一般认为冶金和加工有两个因素。目前主要有以下几种观点：（1）在熔池冷却过程中氢气溶解度急剧下降，形成氢气孔;（2）低熔点高蒸气压合金元素蒸发引起气孔，（3）熔池金属波动并溶解湍流金属湍流甚至小孔不稳定导致孔隙形成。（4）熔池流动性差也是导致孔隙形成的一个因素。总之，有必要对特定材料和特定焊接结构进行研究，找出孔隙的形成机理，以研究控制孔隙的方法。根据国内外的研究，铝合金激光焊接孔隙是一个值得关注的问题，但通常可以通过冶金分析和工艺优化来解决。铝合金熔焊工艺一般对热裂纹敏感，热裂纹主要是晶体裂纹。研究表明，在熔池结晶后期，拉应力下晶界低熔共晶的开裂是晶体开裂的主要方式。由于铝合金是典型的共晶合金，因此更容易发生晶体裂纹。对于铝合金激光焊接，焊接速度高，高过热应力，高应力梯度和由于过度冷却速率引起的裂纹再膨胀也是促进晶体裂纹形成的因素。防止热裂的主要措施是在激光焊接中使用填充材料。其机理是：避免熔池合金组合物的最大凝固温度范围，通过添加成核剂来细化晶粒，并增加熔池中液态金属的流动。性等等。或者，可以根据优化的焊接工艺参数进行调整，例如使用小的热输入来减少过热区域和相对小的焊接速度以降低应变速率。此外，焊接缺陷控制与工艺稳定性密切相关。如果焊接过程的不稳定性导致焊池剧烈振荡，则易于发生诸如底切和不连续焊缝形成的缺陷。在严重的情况下，小孔突然关闭，并且在焊缝中形成大直径孔或甚至孔。对于大客机机身壁大跨度结构的激光焊接过程，双激光束的光束质量是决定焊接过程稳定性和缺陷形成的重要因素之一。两个激光器不仅需要更高的光束质量，而且要求两个激光器严格对称。为此，在皮肤的T形结构的任一侧上的两个激光器来自两个相同的激光发生器，或者由相同激光器产生的激光器被分成两个相同的激光器。 3焊接缺陷的无损检测技术和评估标准焊接过程中不可避免地会产生缺陷，而飞机部件产品可能不会出现零缺陷要求。只要符合设计要求规定的规范和标准，就按照相关规范标准进行试验和生产，焊接部件可以承受使用寿命内的负荷条件。由于民用航空产品的特殊性，飞机焊接部件产品无法使用破坏性测试技术进行采样和测试，以检测焊接缺陷。飞机焊接部件通常需要进行无损检测。由于航空领域激光焊接的历史很短，目前还没有激光焊接无损检测标准和缺陷评估指标。因此，研究焊接缺陷的无损检测和发展合理的工艺规范是大型客机激光焊接技术研究的重要方面。对于大型客机的长肩激光焊接结构，由于尺寸大，厚度薄，焊接结构特殊，传统的超声波和X射线技术都有其局限性。此外，传统的X射线检查薄膜评价过分依赖于工人的技术水平和熟练程度。新数字电影的自动识别和评估技术目前还不够成熟，没有标准可循。为此，有必要对国内外相关领域的成功经验进行广泛的检验，研究适合大型客机机身墙板焊接的无损检测技术和设备，开发合理的焊接评价体系。缺陷。 4焊接变形控制技术激光焊接机身壁板与传统的铆接机身壁板相比具有明显的减重效果，可以提高接头部件的性能，具有降低制造成本，提高生产效率的优点。 。然而，在铆接过程中不存在由激光焊接引起的应力集中和变形问题。大型客机机身壁的激光焊接工艺是一种复杂的焊接工艺，尺寸大，厚度小，焊缝多，变形过程非常复杂。图5是典型墙板的焊接变形的模拟结果，这是大型客机侧板（3 pur条）的典型部件的热耦合分析的结果。如图5所示，即使采用优越的中心对称焊接技术（焊接方向相同，顺序为中间和后部两侧），仍然存在大量的变形。实验研究还表明，多条纹构件的变形机制很复杂。激光焊接变形控制技术的研究可以结合有限元模拟和变形控制以及整形技术。首先，有限元模拟技术可用于预测不同工艺条件下的焊接应力和变形，研究大型客机侧板构件的焊接变形规律，优化理想的焊接工艺参数。然后，进行预焊，焊接工艺，焊后变形控制和矫形技术研究，如射流冲击散热处理，焊接和轧制技术以及喷丸技术，最后形成大型客机机身壁激光焊接变形控制技术系统。结论从长远来看，大型客机生产中的焊接技术必须符合航空制造业的特点，符合当代制造业数字化，信息化，智能化和灵活性的发展方向。开展焊接工艺数字化建模和有限元仿真研究，开发大型客机焊接零件焊接专家系统，实现数字焊接信息共享和过程控制。大型客机激光焊接技术的研究是集焊接冶金，焊接结构设计，焊接工艺控制，焊接缺陷无损检测，焊接模拟甚至数字焊接于一体的技术体系。由于民用飞机产品的特殊性，大型客机激光焊接技术体系仍存在许多技术难题需要克服。在当今激光焊接的快速发展中，鉴于国外先进航空制造商成功应用于大型客机的先例，基于中国铝合金激光焊接领域的大量焊接研究人员的成就，中国商用飞机及相关参展单位等项目取得了丰硕成果，相信中国大型客机生产中激光焊接机身的制造技术将很快实现。