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大型客机机身壁板激光焊接工艺性分析

2014-10-05 06:11
魏丁小陆
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  采用焊接整体机身壁板代替传统的铆接机身壁板可以极大地减轻构件的重量、降低制造成本、提高生产效率,因而成为大型民用飞机制造技术的发展趋势之一。由于双激光束焊接针对蒙皮长桁结构减重效果更为明显,同时对于复杂构件具有较好的空间可达性,因而受到广泛的关注。目前,空中客车等航空制造企业在其多种机型上采用了激光焊接的整体机身壁板制造技术。然而,基于焊接的整体机身壁板制造技术是当代民机制造技术中的难点之一。目前我国大型客机设计方案中的机身壁板新型铝合金焊接技术,其工艺性有自身的特点。

  铝合金激光焊接性概述

  自1960年第一台激光焊接机诞生以来,激光焊接技术发展迅速。1965年研制出用于厚膜组件焊接的红宝石激光焊接机。1974年世界上第一台五轴激光加工机——龙门式激光焊接机在福特汽车公司建造。稍后,美国福特汽车公司研制出了激光焊接生产线。时至今日,可用于焊接的激光发生器已经由第一代的CO2气体激光器发展到YAG固体激光器,以及最新的光纤激光器等种类。激光焊接的最大优点是其能量集中,形成焊接接头深宽比大、焊接变形较小。随着激光光束质量的不断改进,激光焊接现已成为一种成熟的焊接方法,广泛地应用于国民经济和国防建设的不同领域。

  铝合金密度低、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能高,具有较高的比强度、比刚度,是飞机结构的理想材料。近年来,尽管在航空航天业中钛合金、复合材料等新材料受到广泛关注,但由于铝的资源丰富、性能优良、加工容易、成本低廉等一系列优点,加之传统铝合金新的热处理状态不断开发,以及新型铝合金(如铝锂合金)的出现,可以预见,在今后相当长一段时间内,铝合金在飞机结构中的应用仍具有不可取代的优势。因此,铝合金焊接技术就成为一个重要的技术关键。采用激光焊接技术连接铝合金航空构件,具有焊缝深宽比大、焊接热影响区小、焊接变形较小、焊接速度高等诸多优点。但是,铝合金激光焊接存在一些技术难点。

  (1)铝合金对激光束具有极高的表面初始反射率高(对CO2激光超过90%,对YAG激光接近80%),这就要求在熔池形成之前需要较大的激光功率;

  (2)由于冶金和工艺等多重因素的影响,铝合金激光焊接过程较容易产生气孔;

  (3)铝合金属于典型的共晶合金,在激光焊接快速凝固条件下更容易产生热裂纹;

  (4)激光焊接间隙适应性小,对焊件的装配精度要求较高;

  (5)铝合金线膨胀系数大,易产生焊接变形;

  (6)铝合金的导热率较大,冷却时间短,熔池冶金反应不充分,容易导致缺陷;

  (7)液态铝合金流动性良好,表面张力低,熔池稳定性差。

  尽管有上述诸多难点,但激光焊接技术仍然是目前航空航天领域铝合金焊接的最有效方法之一。随着不断地试验和研究,激光焊接逐渐展现出其良好的工艺性能及焊后力学性能。与传统的TIG焊、MIG焊相比,激光焊接具有焊接质量高、精度高、速度快等特点,是当前发展最快、研究最多的方法之一。近年来,国际上众多科研人员针对铝合金激光焊接开展了大量研究,逐步形成了较为可靠的铝合金激光焊接技术。

  大型客机机身壁板激光焊接方案

  我国大型客机的设计方案中,初步考虑在前机身、中后机身的部分下壁板制造工艺中采用激光焊接工艺。前机身焊接壁板的位置如图1所示。以该壁板为例,单块壁板尺寸为4276mm×1350mm,壁板厚度为1.8mm,单块壁板上桁条多达9根,如图2所示。因此,属于典型的大尺寸、小厚度、多焊缝的复杂焊接工艺。

  在上述机身蒙皮桁条焊接方案中,主要采用双激光束双侧同步焊接工艺。飞机壁板蒙皮桁条T型连接结构双激光束双侧同步焊接是一种全新的焊接工艺。由于T型结构双激光束双侧同步焊接工艺避免了传统的T型结构单面焊接双面成型工艺对底板(蒙皮)完整性的破坏,同时该工艺相对传统的铆接工艺而言能极大地减轻构件的重量,因而在航空制造业中受到青睐。然而,由于壁板和桁条厚度都只有1.8mm,而单块壁板在长度和宽度方向都具有较大尺寸,因此要在此构件中形成多条高强度的有效焊缝,同时还要控制焊接欠缺、抑制焊接变形和应力集中,焊接构件要满足设计单位所提出的静强度、疲劳强度及损伤容限等方面的指标,此项工艺显然具有一定难度。更为重要的是,民用航空制造业具有比航天、军用航空等制造领域更为严格的质量评价体系,一项新的工艺必须通过适航当局的审批。

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