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軍工航天新聞

雙光束激光焊接技術在民用飛機上的應用現狀及發展

星之球科技 來源:航空製造技術2013-07-25 我要評論(0 )   

能源危機的持續發酵、歐盟碳稅的征收都必將促使航空公司對民用客機提出更加明確的減重要求。20世紀90年代起,經過近10年的研究,空客公司成功地將雙光束激光焊接技術應...

       能源危機的持續發酵、歐盟“碳稅”的征收都必將促使航空公司對民用客機提出更加明確的減重要求。20世紀90年代起,經過近10年的研究,空客公司成功地將雙光束激光焊接技術應用於(yu) 鋁合金機身壁板結構,替代了傳(chuan) 統的鉚接結構(圖1),使飛機機身的結構概念從(cong) 組裝結構過渡到整體(ti) 結構。該技術針對機身壁板的蒙皮- 長桁結構,利用兩(liang) 台完全相同的CO2 激光器在長桁兩(liang) 側(ce) 進行雙側(ce) 同步焊接,該技術避免了傳(chuan) 統的單麵焊雙麵成形工藝對蒙皮完整性的破壞,具有極大的優(you) 越性。有資料表明:采用該技術在不降低結構強度及疲勞壽命的前提下,能減少5%~10% 的結構重量,並降低成本15%,提高了生產(chan) 效率[1-3]。

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雙光束激光焊接技術簡述 


        雙光束激光焊接技術最早是由德國的Bias(不萊梅射線研究所)、Gkss(亥姆霍茲(zi) 聯合會(hui) )、Fraunhofer(福朗霍夫材料與(yu) 射線研究所)、LZH(漢諾威激光研究所)、亞(ya) 琛工大等眾(zhong) 多科研院所一起參與(yu) 完成的。同時,相關(guan) 焊接設備由Schuler-held、M.torres、Rofin 等公司提供。激光焊接技術也成為(wei) 了德國航空業(ye) 的重點發展技術之一。除了已經研製成功的激光焊接蒙皮- 長桁結構以外,其他的激光焊接應用也正處於(yu) 研發階段。這些應用包括利用機器人焊接角片、焊接Al-Mg-Sc 材料的著陸襟翼結構以及激光焊接鋁- 鈦異種材料航空座椅滑軌[3-4]。 


        雙光束激光焊接技術最早用於(yu) 空客A318的前機身以及中後機身兩(liang) 塊壁板的生產(chan) 製造,並在裝機之前通過了FAA(美國聯邦航空管理局)的適航認證。圖2 為(wei) 德國空客車間的雙光束激光焊接生產(chan) 線,隨著3條焊接生產(chan) 線的購置安裝,焊接機身壁板於(yu) 2001年在德國諾登哈姆的空客車間內(nei) 實現了批量生產(chan) 。另外,隨著此項技術的不斷成熟,包括A340、A380 在內(nei) 的機型也都采用了激光焊接壁板,且壁板的數量也從(cong) 開始的2塊(總計110m 焊縫),到最多使用14塊激光焊接壁板(總計約798m焊縫)。空客的最新型號A350在設計初期也準備采用激光焊接鋁鋰合金壁板,並且使用壁板數量進一步增加;然而,波音公司的787夢幻客機取得了商業(ye) 成功,迫使A350改變原有計劃,將複合材料大量應用於(yu) 機身機構[5]。因此,A350暫不采用該技術,但是可以預見在未來很長一段時間,金屬材料仍會(hui) 在飛機的主要型號中大量使用,同時空客還在研究將此技術推廣應用於(yu) 飛機機身上壁板[6],因此該技術的應用仍然值得期待。

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       這套工藝的焊接對象主要包括單曲壁板和雙曲壁板,其中雙曲壁板中的焊縫是較為複雜的空間曲線,對整個焊接設備和工藝提出了較高的要求。圖3為雙曲壁板雙光束激光焊接的整個工藝流程,包括蒙皮拉伸成形→蒙皮三維表麵加工→蒙皮三維輪廓加工→裝夾→激光焊接→噴丸處理→熱處理→表麵防腐處理8個步驟[4]。

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       根據美國鋁業公司(Alcoa)的介紹,長桁焊接前的蒙皮曲線形狀是用時效蠕變方法成形出來的。這樣的機身蒙皮重量輕、強度高、耐蝕,而且材料的損傷容限較高。在進行激光焊接的過程中,由於鋁合金的熱膨脹係數較大、彈性模量較小,而且,雙激光束雙側同步焊接的熱源具有特殊性加之金屬板材的尺寸較大並且厚度較薄,再者,蒙皮上多道焊縫會導致焊接應力分布比較複雜,上述因素將導致在焊接過程中產生失穩變形。因此噴丸處理在提高材料疲勞性能的同時,還具備矯形的作用。 

        圖4為世界最大飛機A380 客機使用雙光束激光焊接的機頭下壁板,焊接選用的材料為AA6013( 蒙皮材料)/AA6056( 長桁材料),與傳統的6061 鋁合金相比,這兩種材料具有良好的焊接性能,材料本身具備中等強度,同時還具備優異的損傷容限性能。填充材料選用流動性較好的4047 鋁合金焊絲。

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設備 

         該技術對於設備的要求較高,有資料表明:空客公司的焊接設備(圖5)主要由激光焊接係統、運動係統、焊接跟蹤係統、焊縫監測係統、工裝夾具係統和控製係統6部分組成[3]。其中激光焊接係統是整個設備的核心,主要用於激光的產生與傳輸;運動係統將保證整個設備的運動精度;焊接跟蹤係統主要用於焊縫的定位及調整;焊縫檢測係統用於焊接過程中焊接質量的監測以及焊後焊縫質量的檢測;工裝夾具係統用來實現蒙皮與長桁的裝夾定位,在激光焊接過程中由於對焊前裝配要求嚴格,必須設計一個特殊的非標夾具用於長桁的裝夾,這個夾具應同時具備夾緊和導向功能,而蒙皮的夾持由全型麵的真空吸附模胎實現;而以上係統在集成後由中央控製係統實現整個設備的控製。本節隻重點討論激光焊接係統的選型及比較。

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       激光焊接係統主要由激光器、焊接工作頭及送絲送氣係統構成。焊接時,兩台完全相同的激光器從長桁兩側進行同步焊接,可以減少焊接變形並控製焊縫內氣孔數量。 

        在激光器的選擇方麵,德國和法國的空客公司分別采用了不同類型的激光器,其中法國空客采用的是兩台Nd:YAG固體激光器,而德國空客采用了2台CO2激光器,而這兩種激光器在進行這種工藝焊接時也各有特點。兩種激光器的比較見表1。從中可以發現:CO2激光器的波長較大,因此在焊接鋁合金過程中,激光更容易被反射;同時光斑直徑較小、光束能力分布集中、質量較好。

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        在使用上述兩種不同類型的激光進行焊接時,與Nd:YAG激光焊接相比,由於其光斑直徑較小,使用CO2 激光器的焊縫截麵積較小(見圖6)、其形成氣孔的趨勢較大、焊前裝配較為嚴格、熱裂紋的傾向較小。而在使用Nd:YAG激光焊接時,所需的焊接能量較大、焊接完成後試板的翹曲變形以及角變形較大,達到CO2焊接變形的1.5~2倍。另外,在使用CO2激光焊接時,整個焊接過程明顯較為安靜,焊煙、飛濺較少,普通空氣刀的使用即能很好地保護鏡片,提高鏡片的使用壽命。最後,由於CO2激光隻能通過銅鏡的反射傳輸,整個傳輸光路龐大而複雜;而YAG 激光能通過光纖傳輸,因此YAG 焊接係統的傳輸過程更柔性。

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       綜上所述,這兩種焊接係統各有優缺點並均已用於空客型號的生產。近年來,光纖激光器發展的突飛猛進,在具備與CO2激光器相近的光束質量的同時,其傳輸也能通過光纖實現,兼具了兩種傳統激光器的特點。上飛公司同哈爾濱工業大學一起基於該焊接係統完成了相關基礎試驗,並取得了較好的結果。 

展望 

         複合材料具有高的比強度和比模量、良好的結構可設計性和抗疲勞特性等優點[7],因此複合材料的大量應用已經成為民機發展的重要趨勢之一。但以美國鋁業(Alcoa)和加拿大鋁業(Alcan)為代表的公司也積極開展新型鋁鋰合金的研發,這些第3代鋁鋰合金在保持了以往鋁鋰合金密度低,比強度、比剛度高等優異性能的同時,還具備了材料各向異性低、損傷容限高、耐腐蝕性好及加工性能好等特點。因此針對這種材料開展雙光束激光焊接技術極具意義。另外,由於在飛機服役過程中,上下壁板結構受力情況不同,將此技術應用於飛機的上壁板還麵臨提高整體結構的損傷容限能力的挑戰。而鑒於國內已經開展了相關技術的研發並取得初步進展,但離最終的型號使用需求還有一段距離,變形控製及矯形技術等研究將是後期工作的重點。(end)

 

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