一種3d增材的t型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種雙激光束焊接方法，特別涉及一種3D增材的T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接方法，可以應(yīng)用于飛機(jī)壁板制造過(guò)程中長(zhǎng)桁和蒙皮的焊接過(guò)程。
【背景技術(shù)】
[0002]飛機(jī)機(jī)身壁板主要由長(zhǎng)桁-蒙皮的T型結(jié)構(gòu)組成，先前這種T型結(jié)構(gòu)必須采用傳統(tǒng)的鉚接方法進(jìn)行連接。然而，鉚接不但生產(chǎn)效率低下，而且額外增加了機(jī)身的重量，降低了飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。上世紀(jì)90年代初空中客車公司開(kāi)展了機(jī)身壁板T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接技術(shù)的研究，并成功利用該技術(shù)代替了鉚接對(duì)長(zhǎng)桁-蒙皮的T型結(jié)構(gòu)的焊接。與傳統(tǒng)鉚接技術(shù)相比，該雙側(cè)激光焊接技術(shù)具有更高的生產(chǎn)效率，特別是能夠大幅度減小機(jī)身重量，提高飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。目前這一革新技術(shù)已成功應(yīng)用于包括最小型A318和最大型A380在內(nèi)空客公司多種機(jī)型的機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)制造中。
[0003]空客提出的雙側(cè)激光焊接技術(shù)采用雙側(cè)對(duì)稱送絲的方式進(jìn)行，通過(guò)填充焊絲補(bǔ)充熔池內(nèi)金屬，形成均勻圓滑過(guò)渡的焊縫從而抑制熔合不良、咬邊、孔洞、裂紋等焊接缺陷的形成，提高雙側(cè)激光焊縫的力學(xué)性能。然而，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為了抑制氣孔缺陷的形成，目前的T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接需要在較高的焊接速度下進(jìn)行，焊接速度甚至達(dá)到10m/min以上。在高焊速情況下，保證長(zhǎng)焊道焊接過(guò)程的持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行難度很大，特別是對(duì)送絲機(jī)構(gòu)精確穩(wěn)定性的要求更苛刻，而焊絲在被送入熔池過(guò)程中將同時(shí)受到熔池尺寸、激光功率、激光焦點(diǎn)位置、焊接飛濺以及焊絲殘余形變等諸多因素的影響，以上任意因素的波動(dòng)或突變均會(huì)導(dǎo)致焊絲無(wú)法被持續(xù)穩(wěn)定恒速地送入熔池內(nèi)，將嚴(yán)重影響焊縫成形并導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生，甚至使焊接過(guò)程中斷，而由于實(shí)際生產(chǎn)對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格要求，雙側(cè)激光焊縫不宜進(jìn)行重熔補(bǔ)焊處理。因此，使雙側(cè)激光焊接過(guò)程穩(wěn)定進(jìn)行并確保一次性焊接得到均勻連貫無(wú)缺陷的雙側(cè)焊縫是影響雙側(cè)激光焊接技術(shù)成熟應(yīng)用于機(jī)身壁板T型結(jié)構(gòu)制造的先決條件。此外，由于T型結(jié)構(gòu)在焊縫成形及結(jié)構(gòu)拘束度上的特點(diǎn)，雙側(cè)激光焊接技術(shù)對(duì)焊絲本身的強(qiáng)化焊縫組織及抑制缺陷的作用要求更高，現(xiàn)有商用焊絲很難同時(shí)滿足焊縫合金調(diào)控強(qiáng)化和抑制裂紋等缺陷的要求，因此需要根據(jù)特殊冶金要求，提出全新成分配比的焊絲，而這將大大增加研發(fā)和生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決在高焊接速度及長(zhǎng)焊道的情況下，T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接過(guò)程難以確保焊絲被持續(xù)穩(wěn)定恒速地送入熔池內(nèi)并一次性焊接獲得均勻連貫無(wú)缺陷的雙側(cè)焊縫以及難以靈活對(duì)焊縫組織進(jìn)行特定合金調(diào)控的問(wèn)題，而提出一種3D增材的T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接方法。
[0005]本發(fā)明的一種3D增材的T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接方法，所述焊接方法是對(duì)飛機(jī)壁板T型結(jié)構(gòu)的焊接，該T型結(jié)構(gòu)由豎直放置的長(zhǎng)桁與水平放置的蒙皮焊接而成，具體焊接方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0006]步驟一、對(duì)長(zhǎng)桁表面進(jìn)行化學(xué)清洗；
[0007]步驟二、設(shè)計(jì)沉積層:在長(zhǎng)桁表面待焊區(qū)域設(shè)計(jì)沉積層，沉積層的截面為正方形或矩形；
[0008]步驟三:將激光熔覆頭豎直放置于長(zhǎng)桁表面待焊區(qū)域正上方，采用激光束與合金粉末同軸送入的方式，在長(zhǎng)桁兩側(cè)待焊區(qū)域進(jìn)行激光3D增材以獲得沉積層，激光送粉增材采用工藝參:激光功率為300W?500W，送粉速率為3g/min?10g/min，激光掃描速度為0.2m/min?0.6m/min，激光焦點(diǎn)位于長(zhǎng)桁表面，沉積層的寬度di控制在0.5mm?1.7mm，沉積層的高度cb控制在0.5mm?2.1mm；
[0009]步驟四:將帶有增材沉積層的長(zhǎng)桁放置于蒙皮上待焊位置，將兩個(gè)激光束對(duì)稱放置于長(zhǎng)桁兩側(cè)，兩個(gè)保護(hù)氣噴嘴對(duì)稱放置于長(zhǎng)桁兩側(cè)，激光束和保護(hù)氣噴嘴的順序?yàn)橛汕爸梁笤O(shè)置，采用惰性氣體對(duì)雙側(cè)激光焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)，對(duì)長(zhǎng)桁和蒙皮進(jìn)行雙側(cè)激光焊接，獲得雙側(cè)對(duì)稱焊縫8。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:
[0011 ] 一、由于本發(fā)明在進(jìn)行連續(xù)焊接步驟之前通過(guò)激光粉末增材將合金粉末預(yù)置于長(zhǎng)桁表面待焊區(qū)域并形成沉積層，最后進(jìn)行雙側(cè)激光焊接，沉積層焊接在焊縫中，使得長(zhǎng)桁和蒙皮充分熔合而形成整體雙側(cè)激光焊縫，沉積層(合金)調(diào)控元素能夠在焊縫蒙皮側(cè)充分混合，焊縫長(zhǎng)桁側(cè)與蒙皮側(cè)中元素分布差異基本消除，實(shí)現(xiàn)了合金元素對(duì)焊縫組織的均勻合金調(diào)控，從而提高了焊縫的力學(xué)性能。本發(fā)明方法避免了在常規(guī)雙側(cè)激光填絲焊接過(guò)程中由于熔池尺寸、激光功率、激光焦點(diǎn)位置、焊接飛濺以及焊絲殘余形變等諸多因素的突變導(dǎo)致焊絲無(wú)法被持續(xù)穩(wěn)定恒速地送入熔池內(nèi)，從而影響焊縫成形甚至出現(xiàn)焊接中斷的問(wèn)題。
[0012]二、本發(fā)明的方法采用的激光3D增材工藝精確可控且效率高，獲得的沉積層致密度高、成形均勻、無(wú)缺陷；實(shí)驗(yàn)證明，采用優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行激光3D增材獲得的沉積層不會(huì)對(duì)T型結(jié)構(gòu)焊縫組織造成不利影響，能夠避免裂紋、孔洞等缺陷的形成。
[0013]三、本發(fā)明的方法中的激光增材用粉末配比靈活，方便按照焊縫組織冶金特性要求選擇粉末成分及比例，無(wú)需生產(chǎn)專用焊絲，能夠顯著降低成本并實(shí)現(xiàn)對(duì)雙側(cè)焊縫組織的特定合金調(diào)控;實(shí)驗(yàn)證明，增材粉末通過(guò)激光3D增材能夠獲得元素分布均勻的沉積層。
[0014]四、本發(fā)明的方法不僅適用于T型結(jié)構(gòu)的焊接，也適用于搭接結(jié)構(gòu)、十字結(jié)構(gòu)、丁字結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的焊接。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為長(zhǎng)桁I表面激光3D增材示意圖；
[0016]圖2為長(zhǎng)桁I表面沉積層3橫截面示意圖；
[0017]圖3為圖2的I局部放大圖；
[0018]圖4為雙側(cè)激光焊接示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1?圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的焊接方法是對(duì)飛機(jī)壁板T型結(jié)構(gòu)的焊接，該T型結(jié)構(gòu)由豎直放置的長(zhǎng)桁I與水平放置的蒙皮2焊接而成，具體焊接方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0020]步驟一、對(duì)長(zhǎng)桁I表面進(jìn)行化學(xué)清洗以去除氧化膜和油污；
[0021]步驟二、設(shè)計(jì)沉積層3:在長(zhǎng)桁I表面待焊區(qū)域設(shè)計(jì)沉積層3，沉積層3的截面為正方形或矩形；
[0022]步驟三:將激光熔覆頭6豎直放置于長(zhǎng)桁I表面待焊區(qū)域正上方，采用激光束4與合金粉末5同軸送入的方式，在長(zhǎng)桁I兩側(cè)待焊區(qū)域進(jìn)行激光3D增材以獲得沉積層3，激光送粉增材采用工藝參:激光功率為300W?500W，送粉速率為3g/min?10g/min，激光掃描速度為
0.2m/min?0.6m/min，激光焦點(diǎn)位于長(zhǎng)桁I表面，沉積層3的寬度di控制在0.5mm?1.7mm，沉積層3的高度cb控制在0.5mm?2.1mm；
[0023]步驟四:將帶有增材沉積層3的長(zhǎng)桁I放置于蒙皮2上待焊位置，將兩個(gè)激光束4對(duì)稱放置于長(zhǎng)桁I兩側(cè)，兩個(gè)保護(hù)氣噴嘴7對(duì)稱放置于長(zhǎng)桁I兩側(cè)，激光束4和保護(hù)氣噴嘴7的順序?yàn)橛汕爸梁笤O(shè)置，采用惰性氣體對(duì)雙側(cè)激光焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)，對(duì)長(zhǎng)桁I和蒙皮2進(jìn)行雙側(cè)激光焊接，獲得雙側(cè)對(duì)稱焊縫8。
[0024]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是步驟二中沉積層3的截面為正方形，即di = d2，di和d2滿足以下關(guān)系:di.?2 = τι.r2.v/V，其中，di為沉積層寬度，d2為沉積層高度，r為常規(guī)雙側(cè)激光填絲焊接使用焊絲的半徑，V為送絲速度，V為焊接速度。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0025]【具體實(shí)施方式】三:結(jié)合圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是步驟二中沉積層3的截面為矩形，即CU在d2，d_d2滿足以下關(guān)系:cU.d2 = 3i.r2.v/V，其中，r為常規(guī)雙側(cè)激光填絲焊接使用焊絲的半徑，V為送絲速度，V為焊接速度。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0026]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式是步驟三中的合金粉末5中各成分的質(zhì)量百分含量為8 %硅、4 %銅、0.5 %鈰和87.5 %鋁。該合金粉末5不但能夠細(xì)化雙側(cè)焊縫晶粒組織，而且能夠改善晶間沉淀相組成以提高晶間強(qiáng)度，并且抑制熱裂紋萌生和擴(kuò)展。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一、二或三相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】五:結(jié)合圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是長(zhǎng)桁I和蒙皮2厚度均為2mm，沉積層3的截面為正方形時(shí)，di = d2 = 0.7mm。其它步驟與【具體實(shí)施方式】四相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式是步驟三中激光3D增材采用工藝參數(shù):激光功率為400W，送粉速率為10g/min，激光掃描速度為0.6m/min，沉積層寬度cb和沉積層高度d2控制范圍均為0.6?0.8_。其它步驟與【具體實(shí)施方式】五相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式是步驟四中雙側(cè)激光焊接的工藝參數(shù):激光功率選為310W，激光束的入射角度選為35°，激光焦點(diǎn)位于沉積層表面，焊接速度選為10m/min，采用Ar氣保護(hù)，氣流量為15L/min。其它步驟與【具體實(shí)施方式】六相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】八:結(jié)合圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是長(zhǎng)桁I和蒙皮2的材質(zhì)均為鋁合金、鋁鋰合金或鈦合金。其它步驟與【具體實(shí)施方式】七相同。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種3D增材的T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接方法，所述焊接方法是對(duì)飛機(jī)壁板T型結(jié)構(gòu)的焊接，該T型結(jié)構(gòu)由豎直放置的長(zhǎng)桁(I)與水平放置的蒙皮(2)焊接而成，其特征在于:所述焊接方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的: 步驟一、對(duì)長(zhǎng)桁(I)表面進(jìn)行化學(xué)清洗； 步驟二、設(shè)計(jì)沉積層(3):在長(zhǎng)桁(I)表面待焊區(qū)域設(shè)計(jì)沉積層(3)，沉積層(3)的截面為正方形或矩形； 步驟三:將激光熔覆頭(6)豎直放置于長(zhǎng)桁(I)表面待焊區(qū)域正上方，采用激光束(4)與合金粉末(5)同軸送入的方式，在長(zhǎng)桁(I)兩側(cè)待焊區(qū)域進(jìn)行激光3D增材以獲得沉積層(3)，激光送粉增材采用工藝參:激光功率為300W?500W，送粉速率為3g/min?10g/min，激光掃描速度為0.2m/min?0.6m/min，激光焦點(diǎn)位于長(zhǎng)桁(I)表面，沉積層(3)的寬度di控制在0.5謹(jǐn)?1.7mm，沉積層(3)的高度cb控制在0.5謹(jǐn)?2.1謹(jǐn)； 步驟四:將帶有增材沉積層(3)的長(zhǎng)桁(I)放置于蒙皮(2)上待焊位置，將兩個(gè)激光束(4)對(duì)稱放置于長(zhǎng)桁(I)兩側(cè)，兩個(gè)保護(hù)氣噴嘴(7)對(duì)稱放置于長(zhǎng)桁(I)兩側(cè)，激光束(4)和保護(hù)氣噴嘴(7)的順序?yàn)橛汕爸梁笤O(shè)置，采用惰性氣體對(duì)雙側(cè)激光焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)，對(duì)長(zhǎng)桁(I)和蒙皮(2)進(jìn)行雙側(cè)激光焊接，獲得雙側(cè)對(duì)稱焊縫(8)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3D增材的T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接方法，其特征在于:所述:所述步驟二中沉積層(3)的截面為正方形，即di = d2，di和d2滿足以下關(guān)系:di.d2 = n.r2.v/V，其中，cb為沉積層寬度，山為沉積層高度，r為常規(guī)雙側(cè)激光填絲焊接使用焊絲的半徑，V為送絲速度，V為焊接速度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3D增材的T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接方法，其特征在于:所述步驟二中沉積層⑶的截面為矩形，即di在d2，di和d2滿足以下關(guān)系:di.d2 = n.r2.v/V，其中，r為常規(guī)雙側(cè)激光填絲焊接使用焊絲的半徑，V為送絲速度，V為焊接速度。4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種3D增材的T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接方法，其特征在于:所述步驟三中的合金粉末(5)中各成分的質(zhì)量百分含量為8 %硅、4 %銅、0.5 %鈰和87.5 %招O5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種3D增材的T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接方法，其特征在于:所述長(zhǎng)桁(I)和蒙皮(2)厚度均為2mm，沉積層(3)的截面為正方形時(shí)，di = d2 = 0.7mm。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種3D增材的T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接方法，其特征在于:所述步驟三中激光3D增材采用工藝參數(shù):激光功率為400W，送粉速率為10g/min，激光掃描速度為0.6m/min，沉積層寬度cU和沉積層高度d2控制范圍均為0.6?0.8mm。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種3D增材的T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接方法，其特征在于:所述步驟四中雙側(cè)激光焊接的工藝參數(shù):激光功率選為310W，激光束的入射角度選為35°，激光焦點(diǎn)位于沉積層表面，焊接速度選為10m/min，采用Ar氣保護(hù)，氣流量為15L/min。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種3D增材的T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接方法，其特征在于:所述長(zhǎng)桁(I)和蒙皮(2)的材質(zhì)均為鋁合金、鋁鋰合金或鈦合金。
【專利摘要】一種3D增材的T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接方法，它涉及一種雙激光束焊接方法，以解決在高焊接速度及長(zhǎng)焊道的情況下，T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接過(guò)程難以確保焊絲被持續(xù)穩(wěn)定恒速地送入熔池內(nèi)并一次性焊接獲得均勻連貫無(wú)缺陷的雙側(cè)焊縫以及難以靈活對(duì)焊縫組織進(jìn)行特定合金調(diào)控的問(wèn)題。本發(fā)明方法：一、對(duì)長(zhǎng)桁表面進(jìn)行化學(xué)清洗；二、設(shè)計(jì)沉積層：在長(zhǎng)桁表面待焊區(qū)域設(shè)計(jì)沉積層，沉積層的截面為正方形或矩形；三：將激光熔覆頭豎直放置于長(zhǎng)桁表面待焊區(qū)域正上方，采用激光束與合金粉末同軸送入的方式，在長(zhǎng)桁兩側(cè)待焊區(qū)域進(jìn)行激光3D增材以獲得沉積層；四：對(duì)長(zhǎng)桁和蒙皮進(jìn)行雙側(cè)激光焊接，獲得雙側(cè)對(duì)稱焊縫。本發(fā)明用于T型結(jié)構(gòu)雙激光焊接。
【IPC分類】B23K26/24, B23K26/06, B23K26/60, B23K26/12
【公開(kāi)號(hào)】CN105710536
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610239636
【發(fā)明人】陶汪, 韓冰, 陳彥賓
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)