大型客机壁板激光焊接工艺分析

使用焊接一体式机身面板代替传统的铆接式机身面板可以大大减轻部件的重量，降低制造成本，并提高生产效率。因此，它已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皮肤较长的桁架结构具有更明显的减重效果，同时，它对复杂部件具有更好的空间可及性，因此受到了广泛的关注。当前，诸如空客之类的航空制造公司已在其各种型号上采用了激光焊接一体式机身面板制造技术。然而，一体式机身面板的基于焊接的制造技术是当代民用飞机制造技术中的困难之一。目前，我国大型客机设计中用于机身面板的新型铝合金焊接技术在工艺上具有自己的特点。铝合金激光焊接性概述自从1960年激光焊接机诞生以来，激光焊接技术得到了飞速发展。 1965年，开发了用于焊接厚膜部件的红宝石激光焊接机。 1974年，福特汽车公司制造了世界上第一台五轴激光加工机-龙门激光焊接机。后来，美国福特汽车公司开发了一条激光焊接生产线。如今，可用于焊接的激光发生器已经从CO2气体激光器演变为YAG固态激光器和光纤激光器。激光焊接的优点是能量集中，导致焊接接头的长径比大且焊接变形小。随着激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，高的抗疲劳性以及高的比强度和比刚度。它是飞机结构的理想材料。近年来，尽管钛合金和复合材料等新材料在航空航天领域受到广泛关注，但铝具有资源丰富，性能优良，易加工，成本低廉以及铝的新热处理等一系列优点。传统铝合金的持续发展和新型铝合金（如铝锂合金）的出现，可以预见的是，铝合金在飞机结构中的应用在很长一段时间内仍将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。激光焊接技术连接铝合金航空部件具有许多优点，如焊缝深宽比大，焊接热影响区小，焊接变形小，焊接速度快。但是，铝合金的激光焊接存在一些技术难题。 （1）铝合金对激光束的初始表面反射率非常高（CO2激光超过90％，YAG激光接近80％），在熔池形成之前需要更大的激光功率，（2）在冶金和工艺等多种因素的影响下，铝合金激光焊接更容易出现气孔，（3）铝合金是典型的低共熔合金，在激光焊接快速凝固的情况下更容易产生热裂纹，（4）激光焊缝的适应性小，焊件的装配精度高，（5）铝合金的线膨胀系数大，易产生焊接变形，（6）铝合金的导热系数大，冷却时间短，熔池冶金反应不充分，易引起缺陷，（7）液态铝合金流动性好，表面张力低，熔池稳定性差。尽管上面提到了许多困难，但是激光焊接技术仍然是在航空航天领域中焊接铝合金的最有效方法之一。经过不断的实验和研究，激光焊接逐渐证明了其良好的工艺性能和焊接后的机械性能。与传统的TIG焊和MIG焊相比，激光焊具有以下特点：焊接质量高，精度高，速度快。它是目前发展最快，研究最多的方法之一。近年来，许多国际科学研究者对铝合金激光焊接进行了大量研究，并逐步形成了更加可靠的铝合金激光焊接技术。大型客机机身板的激光焊接程序在我国大型客机的设计中，激光焊接工艺最初是在前机身下壁板和中后机身的制造过程中考虑的。前机身焊接壁板的位置如图1所示。以该壁板为例，单个壁板的尺寸为4276mm×1350mm，壁板的厚度为1.8mm，上面最多有9个纵梁。如图2所示。因此，这是典型的复杂焊接工艺，具有大尺寸，小厚度和多次焊接的特点。在上述机身蒙皮焊接方案中，主要采用双激光束双面同时焊接工艺。飞机壁面板蒙皮梁的T形连接结构的双激光束双面同时焊接是一种全新的焊接工艺。由于T形结构的双激光束双面同步焊接工艺避免了传统的T形结构的单面焊接和双面成型工艺破坏底板（蒙皮）的完整性，因此，该工艺可以大大减轻部件的重量，因此在航空制造业受到青睐。然而，由于壁板和梁的厚度仅为1.8mm，并且单个壁板在长度和宽度方向上均具有大尺寸，因此有必要在该部件中形成多个高强度有效焊缝，而还应控制焊接不足，抑制焊接变形和应力集中，焊接组件必须满足设计单位提出的静态强度，疲劳强度和损伤容忍度指标。这个过程显然是困难的。更重要的是，民航制造业的质量评估体系比航空航天，军用航空和其他制造业要严格，因此必须通过适航当局批准新流程。随着我国大型客机工程的启动，在中国对机身壁板蒙皮T形连接结构的双激光束双面同步焊接技术进行了研究，并取得了初步成果。 。但是，目前国内尚未掌握长壁桁架T形结构的双激光束双面焊接的成熟技术，仍难以生产大型客机机身符合要求。大型客机机身板激光焊接工艺分析1焊接工艺稳定性在大型客机机身板的长桁架激光焊接组件中（图3），单道焊的长度可能达到4m或更长。长桁非常细，因此能否有效地保持焊接过程的稳定性是焊接生产成功的关键之一。在此解决方案中，双激光束用于同时在皮肤两侧进行焊接。为了保持外皮的完整性，焊接过程不能渗透到外皮中，并且T形结构不需要过多地强调纵横比。关键是要形成连续，无缺陷的高性能焊接接头。因此，有必要在激光深熔焊过程中保持小孔和熔池的稳定性。主要从两个方面考虑：一方面，从焊接工具和设备支持的角度出发，有必要保持高精度的夹紧和激光聚焦和对中，并保持较高水平的机器人（或CNC机床）。工具）控制焊头的运动。重复定位精度和轨迹定位精度，必要时使用适当的跟踪系统，因为液态铝合金流动性好，表面张力低，熔池稳定性差，同时电离能铝的y低。光感应等离子体易于过热和膨胀，这也导致焊接稳定性差。因此，应从焊接冶金学的角度进行研究。 2焊接缺陷的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。对于大型客机墙板的铝合金激光焊接工艺，最可能的缺陷是气孔和裂纹。关于铝合金激光焊接气孔的形成机理（图4），目前尚无统一而完整的理论，人们普遍认为有两个冶金和工艺因素。目前主要有以下观点：（1）在熔池冷却形成氢孔的过程中氢的溶解度急剧下降，，（2）低熔点和高蒸气压的合金元素的蒸发会导致气孔， （3）熔池金属的湍流，甚至小孔的不稳定性导致孔的形成，（4）熔池流动性差也是导致孔形成的因素。简而言之，有必要对特定的材料和特定的焊接结构进行研究，以发现孔的形成机理，从而研究控制孔的方法。根据国内外的研究，铝合金激光焊接的气孔是一个值得关注的问题，但一般可以通过冶金分析和工艺优化来解决。铝合金熔焊工艺通常对热裂纹更为敏感，而热裂纹主要是晶体裂纹。研究表明，在熔池的结晶后期，拉应力下晶界处低熔点共晶的开裂是产生晶体裂纹的主要途径。由于铝合金是典型的低共熔合金，因此更容易出现晶体裂纹。对于铝合金激光焊接，焊接速度较高。由于过高的冷却速度而导致的高热应力，高应力梯度和裂纹扩展也是促使晶体裂纹形成的因素。防止热裂纹的主要措施是在激光焊接过程中使用填充材料。其机理是尽可能避免熔池合金成分的凝固温度范围，并通过加入成核剂以增加熔池中液态金属的流动性来细化晶粒。等待。此外，还可以根据焊接工艺参数的优化进行调整，例如使用较小的热量输入以减少过热区域，以及使用相对较小的焊接速度以减小应变率。另外，焊接缺陷的控制与过程的稳定性密切相关。例如，焊接过程的不稳定性导致焊接熔池剧烈振动，并且容易发生诸如咬边和不连续焊接形成的缺陷。在严重的情况下，小孔突然闭合并在焊缝中产生大直径的孔甚至孔。对于大型客机壁板长桁架结构的激光焊接工艺，双激光束的光束质量是决定焊接工艺稳定性和缺陷形成的重要因素之一。不仅要求两个激光器具有高光束质量，而且两个激光器必须严格对称。因此，在皮肤长桁架T形结构的两侧的两个激光束必须来自两个相同的激光发生器，或者由相同的激光发生器产生的激光束被分成两个相同的激光束。 3焊接缺陷的无损检测技术和评价标准焊接过程中不可避免地会产生缺陷，零缺陷不需要航空器部件产品。只要符合设计要求所确定的规格和标准，并按照相关的规格和标准进行测试和生产，焊接的组件就可以在使用寿命内承受载荷条件。由于民用航空产品的特殊性，不可能对飞机焊接部件进行样品测试，而采用破坏性测试技术来检测焊接缺陷。通常，飞机焊接部件需要无损检测。由于激光焊接在航空领域的应用历史较短，因此目前尚无激光焊接无损检测和缺陷评估指标的标准。因此，开展焊接缺陷的无损检测研究并制定合理的工艺规范是大型客机激光焊接工艺研究的重要内容。对于大型客机蒙皮的长桁架激光焊接结构，由于蒙皮尺寸大，厚度薄，焊接结构特殊，使用传统的超声波，X射线等技术有其自身的局限性。另外，传统的X射线底片底片的评估过于依赖工人的技术水平和熟练程度，而新型数字底片的自动识别和评估技术目前还不成熟，没有可遵循的标准。因此，有必要对国内外相关领域的成功经验进行广泛的考察，研究适用于大型客机机身板件焊接的无损检测技术和设备，制定合理的评估标准体系。焊接缺陷。 4焊接变形控制技术。与传统的铆接机身墙板相比，激光焊接机身墙板具有明显的轻量化效果，可以提高连接件的性能，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的问题。大型客机机身面板的激光焊接工艺属于大尺寸，小厚度，多焊缝。