大型客機(jī)機(jī)身壁板激光焊接工藝分析
日期：2024/11/22 18:19:19 作者：華馳激光 閱讀數(shù)：384采用焊接整體機(jī)身壁板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉚接機(jī)身壁板可以極大地減輕構(gòu)件的重量、降低制造成本、提高生產(chǎn)效率，因而成為大型民用飛機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。由于雙激光束焊接針對(duì)蒙皮長桁結(jié)構(gòu)減重效果更為明顯，同時(shí)對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件具有較好的空間可達(dá)性，因而受到廣泛的關(guān)注。目前，空中客車等航空制造企業(yè)在其多種機(jī)型上采用了激光焊接的整體機(jī)身壁板制造技術(shù)。然而，基于焊接的整體機(jī)身壁板制造技術(shù)是當(dāng)代民機(jī)制造技術(shù)中的難點(diǎn)之一。目前我國大型客機(jī)設(shè)計(jì)方案中的機(jī)身壁板新型鋁合金焊接技術(shù)，其工藝性有自身的特點(diǎn)。
鋁合金激光焊接性概述
自1960年第一臺(tái)激光焊接機(jī)誕生以來，激光焊接技術(shù)發(fā)展迅速。1965年研制出用于厚膜組件焊接的紅寶石激光焊接機(jī)。1974年世界上第一臺(tái)五軸激光加工機(jī)——龍門式激光焊接機(jī)在福特汽車公司建造。稍后，美國福特汽車公司研制出了激光焊接生產(chǎn)線。時(shí)至今日，可用于焊接的激光發(fā)生器已經(jīng)由第一代的CO2氣體激光器發(fā)展到Y(jié)AG固體激光器，以及最新的光纖激光器等種類。激光焊接的最大優(yōu)點(diǎn)是其能量集中，形成焊接接頭深寬比大、焊接變形較小。隨著激光光束質(zhì)量的不斷改進(jìn)，激光焊接現(xiàn)已成為一種成熟的焊接方法，廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的不同領(lǐng)域。
鋁合金密度低、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能高，具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的理想材料。近年來，盡管在航空航天業(yè)中鈦合金、復(fù)合材料等新材料受到廣泛關(guān)注，但由于鋁的資源豐富、性能優(yōu)良、加工容易、成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，加之傳統(tǒng)鋁合金新的熱處理狀態(tài)不斷開發(fā)，以及新型鋁合金(如鋁鋰合金)的出現(xiàn)，可以預(yù)見，在今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，鋁合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用仍具有不可取代的優(yōu)勢(shì)。因此，鋁合金焊接技術(shù)就成為一個(gè)重要的技術(shù)關(guān)鍵。采用激光焊接技術(shù)連接鋁合金航空構(gòu)件，具有焊縫深寬比大、焊接熱影響區(qū)小、焊接變形較小、焊接速度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，鋁合金激光焊接存在一些技術(shù)難點(diǎn)。
(1)鋁合金對(duì)激光束具有極高的表面初始反射率高(對(duì)CO2激光超過90%，對(duì)YAG激光接近80%)，這就要求在熔池形成之前需要較大的激光功率;
(2)由于冶金和工藝等多重因素的影響，鋁合金激光焊接過程較容易產(chǎn)生氣孔;
(3)鋁合金屬于典型的共晶合金，在激光焊接快速凝固條件下更容易產(chǎn)生熱裂紋;
(4)激光焊接間隙適應(yīng)性小，對(duì)焊件的裝配精度要求較高;
(5)鋁合金線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形;
(6)鋁合金的導(dǎo)熱率較大，冷卻時(shí)間短，熔池冶金反應(yīng)不充分，容易導(dǎo)致缺陷;
(7)液態(tài)鋁合金流動(dòng)性良好，表面張力低，熔池穩(wěn)定性差。
盡管有上述諸多難點(diǎn)，但激光焊接技術(shù)仍然是目前航空航天領(lǐng)域鋁合金焊接的最有效方法之一。隨著不斷地試驗(yàn)和研究，激光焊接逐漸展現(xiàn)出其良好的工藝性能及焊后力學(xué)性能。與傳統(tǒng)的TIG焊、MIG焊相比，激光焊接具有焊接質(zhì)量高、精度高、速度快等特點(diǎn)，是當(dāng)前發(fā)展最快、研究最多的方法之一。近年來，國際上眾多科研人員針對(duì)鋁合金激光焊接開展了大量研究，逐步形成了較為可靠的鋁合金激光焊接技術(shù)。
大型客機(jī)機(jī)身壁板激光焊接方案
我國大型客機(jī)的設(shè)計(jì)方案中，初步考慮在前機(jī)身、中后機(jī)身的部分下壁板制造工藝中采用激光焊接工藝。前機(jī)身焊接壁板的位置如圖1所示。以該壁板為例，單塊壁板尺寸為4276mm×1350mm，壁板厚度為1.8mm，單塊壁板上桁條多達(dá)9根，如圖2所示。因此，屬于典型的大尺寸、小厚度、多焊縫的復(fù)雜焊接工藝。
在上述機(jī)身蒙皮桁條焊接方案中，主要采用雙激光束雙側(cè)同步焊接工藝。飛機(jī)壁板蒙皮桁條T型連接結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)同步焊接是一種全新的焊接工藝。由于T型結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)同步焊接工藝避免了傳統(tǒng)的T型結(jié)構(gòu)單面焊接雙面成型工藝對(duì)底板(蒙皮)完整性的破壞，同時(shí)該工藝相對(duì)傳統(tǒng)的鉚接工藝而言能極大地減輕構(gòu)件的重量，因而在航空制造業(yè)中受到青睞。然而，由于壁板和桁條厚度都只有1.8mm，而單塊壁板在長度和寬度方向都具有較大尺寸，因此要在此構(gòu)件中形成多條高強(qiáng)度的有效焊縫，同時(shí)還要控制焊接欠缺、抑制焊接變形和應(yīng)力集中，焊接構(gòu)件要滿足設(shè)計(jì)單位所提出的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及損傷容限等方面的指標(biāo)，此項(xiàng)工藝顯然具有一定難度。更為重要的是，民用航空制造業(yè)具有比航天、軍用航空等制造領(lǐng)域更為嚴(yán)格的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，一項(xiàng)新的工藝必須通過適航當(dāng)局的審批。
隨著我國大型客機(jī)項(xiàng)目的啟動(dòng)，機(jī)身壁板蒙皮桁條T型連接結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)同步焊接技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)展開研究，并已經(jīng)取得了初步成果。但是，目前國內(nèi)尚未掌握機(jī)身壁板蒙皮長桁T型結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)焊接的成熟工藝，目前尚難以生產(chǎn)出滿足要求的大型客機(jī)機(jī)身整體焊接壁板。
大型客機(jī)機(jī)身壁板激光焊接工藝性分析
1 焊接工藝穩(wěn)定性
大型客機(jī)機(jī)身壁板蒙皮長桁激光焊接構(gòu)件中(圖3)，單道焊縫長度可能達(dá)4m以上，同時(shí)由于蒙皮和長桁都很薄，因此能否有效保持焊接過程的穩(wěn)定性是焊接生產(chǎn)取得成功的關(guān)鍵之一。在該方案中，在蒙皮內(nèi)側(cè)采用雙激光束雙側(cè)同時(shí)焊接。為了保持蒙皮外側(cè)的完整性，焊接過程不能穿透蒙皮，T型結(jié)構(gòu)也不需要過于強(qiáng)調(diào)深寬比，形成連續(xù)、無缺陷、高性能的焊接接頭是關(guān)鍵。因此，要保持激光深熔焊接過程小孔和熔池的穩(wěn)定性。主要從兩方面考慮：一方面，從焊接工裝和設(shè)備保障的角度要保持高精度的裝夾和激光的聚焦、對(duì)中，保持機(jī)器人(或數(shù)控機(jī)床)控制焊接工作頭運(yùn)動(dòng)過程中有較高的重復(fù)定位精度和軌跡定位精度，必要的時(shí)候采用適當(dāng)?shù)母櫹到y(tǒng);另一方面，由于液態(tài)鋁合金流動(dòng)性良好、表面張力低、熔池穩(wěn)定性差，同時(shí)，鋁元素的電離能低，焊接過程中光致等離子體易于過熱和擴(kuò)展，也導(dǎo)致焊接穩(wěn)定性差，因此應(yīng)該從焊接冶金的角度開展研究。
2 焊接缺陷控制
焊接過程中形成的缺陷是直接影響焊接質(zhì)量的最重要因素，對(duì)于大型客機(jī)壁板鋁合金激光焊接工藝而言最可能的缺陷是氣孔和裂紋。
關(guān)于鋁合金激光焊接氣孔(圖4)的形成機(jī)理，目前尚沒有統(tǒng)一的完整理論，一般認(rèn)為有冶金和工藝兩方面的因素。目前主要有以下幾種看法：
(1)在熔池冷卻過程中氫的溶解度急劇下降形成氫氣孔;
(2)低溶點(diǎn)高蒸氣壓合金元素蒸發(fā)導(dǎo)致氣孔;
(3)熔池金屬波動(dòng)、溶池金屬紊流甚至小孔不穩(wěn)定導(dǎo)致氣孔生成;
(4)熔池流動(dòng)性較差也是導(dǎo)致氣孔形成的因素。
總之，要針對(duì)具體的材料、具體的焊接結(jié)構(gòu)展開研究，尋找氣孔的形成機(jī)理，從而研究控制氣孔的方法。根據(jù)國內(nèi)外已經(jīng)開展的研究，鋁合金激光焊接的氣孔是一個(gè)值得重視的問題，但一般可以通過冶金分析和工藝優(yōu)化來解決。
鋁合金熔化焊接過程對(duì)熱裂紋一般都比較敏感，其中熱裂紋又主要是結(jié)晶裂紋。研究表明，在焊接熔池結(jié)晶后期，晶界低熔點(diǎn)共晶在承受拉應(yīng)力的條件下開裂是結(jié)晶裂紋出現(xiàn)的主要途徑。由于鋁合金屬于典型的共晶合金，因此較易出現(xiàn)結(jié)晶裂紋。對(duì)于鋁合金激光焊接，焊接速度較高，由于過快的冷卻速度導(dǎo)致高的熱應(yīng)力、高的應(yīng)力梯度和裂紋的再擴(kuò)展，也是促進(jìn)結(jié)晶裂紋形成的因素。防止熱裂紋的主要措施是在激光焊接時(shí)采用填充材料，其機(jī)理是：使熔池合金成分盡量避開最大凝固溫度區(qū)間、通過加入形核劑以細(xì)化晶粒、增加熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)性等。另外，也可以從優(yōu)化焊接工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如采用小的熱輸入以減小過熱區(qū)，采用相對(duì)較小的焊接速度以減小應(yīng)變速率。
此外，焊接缺陷控制與工藝穩(wěn)定性有密切聯(lián)系。如焊接過程的不穩(wěn)定造成焊接熔池劇烈震蕩，容易出現(xiàn)咬邊、焊縫成形不連續(xù)等缺陷，嚴(yán)重時(shí)小孔突然閉合而在焊縫中產(chǎn)生直徑較大的氣孔甚至孔洞。對(duì)于大型客機(jī)機(jī)身壁板蒙皮長桁結(jié)構(gòu)激光焊接工藝，雙激光束的光束質(zhì)量是決定焊接過程穩(wěn)定性和缺陷形成的重要因素之一。不僅要求2束激光都要具有較高的光束質(zhì)量，同時(shí)要求2束激光要嚴(yán)格地對(duì)稱。為此，蒙皮長桁T型結(jié)構(gòu)兩側(cè)的兩束激光要來自于2個(gè)完全相同的激光發(fā)生器，或者是由同一個(gè)激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光分光為2束相同的激光。
3 焊接缺陷無損檢測(cè)技術(shù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
焊接過程不可避免會(huì)產(chǎn)生缺陷，飛機(jī)構(gòu)件產(chǎn)品也不可能是零缺陷要求。只要滿足根據(jù)設(shè)計(jì)要求所制定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)開展試驗(yàn)和生產(chǎn)，焊接構(gòu)件能夠承擔(dān)使用壽命內(nèi)的載荷條件。由于民用航空產(chǎn)品的特殊性，飛機(jī)焊接構(gòu)件產(chǎn)品不可能是抽樣檢測(cè)、采用破壞性的檢測(cè)工藝來檢測(cè)焊接缺陷，通常飛機(jī)焊接構(gòu)件需要無損檢測(cè)。由于激光焊接在航空領(lǐng)域的應(yīng)用歷史較短，目前在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中還沒有專門針對(duì)激光焊接無損檢測(cè)及缺陷評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，開展焊接缺陷無損檢測(cè)技術(shù)研究，并制定出合理的工藝規(guī)范，是大型客機(jī)激光焊接工藝研究的重要內(nèi)容。
對(duì)于大型客機(jī)蒙皮長桁激光焊接結(jié)構(gòu)，由于蒙皮尺寸大、厚度薄，同時(shí)焊接結(jié)構(gòu)特殊，采用傳統(tǒng)的超聲波、X射線等技術(shù)，都各有其局限性。另外，傳統(tǒng)的X射線檢測(cè)膠片底片的評(píng)定，過多依賴工人的技術(shù)水平和熟練程度，新型的數(shù)字底片的自動(dòng)識(shí)別、評(píng)定技術(shù)目前也不夠成熟，無標(biāo)準(zhǔn)可循。為此，需要廣泛考察國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)，研究適合于大型客機(jī)機(jī)身壁板焊接構(gòu)件的無損檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備，并制定合理的焊接欠缺評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。
4 焊接變形控制技術(shù)
激光焊接機(jī)身壁板對(duì)比傳統(tǒng)的鉚接機(jī)身壁板而言，具有明顯的減重效果，能改善連接部位的性能，同時(shí)具有降低制造成本、提高生產(chǎn)效率等多方面的優(yōu)點(diǎn)。但是，激光焊接造成的應(yīng)力集中和變形問題，卻是鉚接過程所不存在的。大型客機(jī)機(jī)身壁板激光焊接工藝屬于大尺寸、小厚度、多焊縫的復(fù)雜焊接工藝，其變形過程甚為復(fù)雜。圖5為壁板典型件焊接變形模擬結(jié)果，是針對(duì)大型客機(jī)壁板典型件(3根桁條)開展熱力耦合分析的結(jié)果。如圖5所示，即使采用較優(yōu)的中心對(duì)稱焊接技術(shù)(焊接方向相同，順序?yàn)橄戎虚g后兩邊)，仍然具有較大的變形量。試驗(yàn)研究也已表明，對(duì)于多桁條構(gòu)件，其變形機(jī)理復(fù)雜。
激光焊接變形控制技術(shù)研究，可采用有限元仿真與變形控制和矯形技術(shù)相結(jié)合的方法。首先，可以運(yùn)用有限元仿真技術(shù)預(yù)測(cè)不同工藝條件下的焊接應(yīng)力和變形，研究大型客機(jī)壁板構(gòu)件焊接變形規(guī)律，從而優(yōu)化出理想的焊接工藝參數(shù)。然后，開展焊前、焊接過程、焊后的變形控制和矯形技術(shù)研究，如射流沖擊熱沉處理、隨焊碾壓技術(shù)以及噴丸矯形等技術(shù)，最終形成大型客機(jī)機(jī)身壁板激光焊接變形控制技術(shù)體系。
結(jié)束語
從長遠(yuǎn)來看，大型客機(jī)生產(chǎn)中的焊接技術(shù)，務(wù)必要符合航空制造業(yè)自身的特點(diǎn)，符合當(dāng)代制造業(yè)數(shù)字化、信息化、智能化、柔性化等發(fā)展方向。要開展焊接過程數(shù)字建模、有限元模擬仿真的研究，針對(duì)大型客機(jī)焊接零部件開發(fā)焊接專家系統(tǒng)，更要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的焊接信息共享和過程控制。
大型客機(jī)激光焊接工藝研究是集合了焊接冶金學(xué)、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接過程控制、焊接缺陷無損檢測(cè)、焊接模擬仿真甚至數(shù)字化焊接的技術(shù)體系。由于民機(jī)產(chǎn)品的特殊性，大型客機(jī)激光焊接技術(shù)體系中尚有許多技術(shù)難點(diǎn)有待攻克。在激光焊接突飛猛進(jìn)的今天，鑒于國外先進(jìn)航空制造企業(yè)在大型客機(jī)上的成功應(yīng)用的先例，基于我國廣大焊接科研工作者長期以來在鋁合金激光焊接領(lǐng)域的成果，如中國商飛及相關(guān)參與單位在該項(xiàng)目上已經(jīng)取得的豐碩成果，相信我國大型客機(jī)生產(chǎn)中激光焊接機(jī)身壁板制造技術(shù)不久即將實(shí)現(xiàn)。