激光焊接技术在航空制造方面的应用

时间:2020-04-21 15:23来源:网络整理作者:采集侠 点击:
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摘要:激光焊接技术在航空制造方面的应用

关键字:激光焊接技术在航空制造方面的应用

美国在20世纪70年代初的航空航天工业中,已利用15kW的CO2激光器针对飞机制造业中的各种材料、零部件,进行焊接试验、评估及工艺的标准 化。用6kW的CO2激光器焊接喷气发动机燃烧室衬套,该零件需在1.2mm厚的镍基合金轮缘与冷弯零件上得到1.8mm深的焊缝,如此严格的焊缝深度要 求只有激光焊才能实现。

空中客车A340飞机的制造中,其全部铝合金内隔板均采用激光焊接,大大简化了飞机机身的制造工艺;机身蒙皮与筋板的激光焊接取得了突破性进展并已 在空中客车A380上得到应用,在相同结构刚度条件下,用激光焊接技术取代传统的铆接能减轻机身重量10%~20%,提高强度近20%。

我国也已将激光加工技术及设备列为“当前国家优先发展的高技术产业化重点领域”。中国一航北京航空制造工程研究所的高能束流加工技术国防科技重点实 验室,集激光加工技术、电子束加工技术和等离子体加工技术于一体,是我国唯一同时拥有三束加工技术的研究单位。“九五”、“十五”期间,在激光焊接过程机理及应用方面开展了大量的研究工作,包括航空用金属材料的激光焊接工艺及机理研究、精密激光焊接技术研究、新型材料及难加工材料可焊性及工艺优化技术研究、武器装备新结构的激光束的新加工方法及关键工艺装备研究、提高激光性能及加工过程控制和质量监控技术的研究、激光全息技术用于焊缝质量检测的研究以及 航空结构件激光焊接技术的研究等等。在过去几十年时间里,为我国激光焊接技术发展作出了很大的贡献,研究成果已成功地应用在我国新型航空动力装置及结构件的研制和生产中。

几种激光焊接方法及其应用

针对航空制造业的激光焊接技术,目前的研究主要集中于建立CO2激光和YAG激光焊接各种航空金属材料的理论及应用,通过基础理论的建立,辅以大量的试验验证,激光焊接技术已经成熟地应用于航空及武器装备制造的诸多领域。下面简单介绍几种激光焊接方法及其应用:

1. 单激光焊接

按焊接熔池形成的机理区分,激光焊接可分为两种:热传导焊接和激光深熔焊。这两种方式最基本的区别在于:前者熔池表面保持封闭,而后者熔池则被激光束穿透成小孔。

(1)热传导焊接

当功率密度约为105~ 106W/cm2的激光照射在材料表面时,一部分激光被反射,另一部分光能被材料吸收转化为热能使焊件表面熔化,材料表面层的热以热传导的方式继续向材料 深处传递,形成熔池,将两焊件熔接在一起。这种焊接模式熔深浅,深宽比较小。图1为利用激光热导焊为飞机某零件进行密封。

(2)激光深熔焊

当功率密度比较大(约为106~107W/cm2)的激光束照射到材料表面时,材料吸收光能转化为热能,工件吸收激光后迅速熔化乃至气化,熔化的金 属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底,使小孔不断延伸,直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动 时,小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方,凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大,深宽比也大。在航空制造领域,除了微薄零件或特殊要求之外,一般均使用深 熔焊。图2是采用激光深熔焊焊接的某飞机结构件。

2. 激光-电弧混合/复合焊

随着激光焊接技术在工业中的成熟应用,激光焊接技术的不足之处也日渐显露:设备投资、使用成本大,能量利用率低;对工件的焊接装配精度要求高;对于 高反射率金属难以实现激光焊接且容易对激光设备造成损坏;高焊接速度导致焊缝快速凝固,接头中容易产生气孔、咬边缺陷,焊缝组织脆性,甚至焊接裂纹。

为避免单激光焊接出现的问题,研究者提出了激光与电弧复合的焊接方法,其出发点是利用电弧焊接的低成本、适用范围宽等特点辅助激光来进行焊接。激光 -电弧复合主要是激光与PAW、TIG或MIG/MAG的复合。目前,主要研究了LASER-PAW和LASER-MIG两种复合焊接方法:

(1)LASER-PAW复合焊接技术

等离子弧的引弧性和稳弧性优于TIG焊,电极不易损耗,采用等离子弧与激光复合热源(如图3)进行焊接是一种过程很稳定的焊接技术,有利于保证焊接 质量。不需要真空系统,可以在大气条件下进行大型中厚度零件的焊接;较高的焊接速度,降低了零件的焊接变形;焊接工艺裕度大,对于焊前零件的装配间隙和焊 缝的对中要求可以大大降低,具有良好的实用性。图4是LASER-PAW复合焊接飞机桶体结构模拟件。

 

 

 

激光焊接技术在航空制造方面的应用


图3  LASER-PAW复合焊接系统

 

 

 

激光焊接技术在航空制造方面的应用

 


图4   LASER-PAW复合焊应用实例

(2)LASER-MIG复合焊接技术

LASER-MIG复合焊接技术是激光电弧复合焊接提出以来,研究最多、最为广泛的一种复合焊接方法(如图5)。MIG焊接容易使用焊丝填充焊缝, 采用激光-电弧复合焊接的方法进一步扩大拼缝间隙裕度、减少或消除焊接后接口部位的凹陷,改善焊缝形貌;此外,通过选择不同的焊丝,还可调整焊缝的化学成分,改善力学性能。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:weixiang )
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