鋁合金機身壁板結構雙側激光焊接特征及熔池行為研究.pdf

1、大型客機機身鋁合金壁板結構由蒙皮與桁條組成,其輕量化加工制造是飛機制造領域的發(fā)展熱點,空客公司以激光焊接技術代替原有鉚接工藝,實現了減輕機身重量和降低成本的目標。現階段,我國也在發(fā)展自己的大型客機,關于機身壁板結構的輕量化制造經過技術論證同樣擬采用激光焊接技術。然而,該革新技術國際上僅有空客公司掌握并應用,國內尚屬空白,亟需開展相關研究工作以突破并掌握機身壁板結構雙側激光焊接技術,為實現國產大型客機機身壁板結構的輕質、高效、低成本加工制

2、造奠定堅實的理論基礎,以縮短與空客公司在機身制造技術上的差距。
　　針對這一特定需求,本文從最基礎的工藝問題著手開展了鋁合金機身壁板結構雙側激光焊接特征研究,充分理解焊縫成形質量、氣孔缺陷及力學性能的控制工藝要點;研究了高速焊接條件下T型接頭焊接過程的焊絲熔入特征;建立了雙側傾斜熱源作用下的三維熱-流耦合數學模型,借助數值模擬的手段從熔池流動行為角度深入理解雙側激光焊接的物理過程,獲得了成形質量及氣孔缺陷有效控制的理論依據。

3、>　　通過雙側激光焊接基礎工藝試驗研究發(fā)現,焊縫對稱性、熔深及焊縫角度是體現T型接頭成形質量的三個重要特征參數,其中光束姿態(tài)是關鍵影響工藝參數。光束間距決定了焊縫成形的對稱性及微觀組織的均勻性,減小入射角度可有效提高蒙皮與桁條的熔合能力并顯著降低對蒙皮背部的熱影響,光束入射位置偏移桁條有助于獲得平滑過渡的焊縫角度。焊縫無損探傷結果表明,提高焊接速度與嚴格控制光束間距是抑制氣孔缺陷的兩個最重要的措施。
　　T型接頭雙側激光同步焊接的

4、特點導致雙側熱源相互交匯耦合,蒙皮側熱影響區(qū)明顯寬于桁條側是整個接頭的最薄弱環(huán)節(jié)。結合機身壁板實際受力環(huán)境,對接頭進行橫向、軸向、縱向拉伸性能及橫向拉壓疲勞進行測試,測試結果表明接頭軸向、橫向拉伸性能與焊縫熔深密切相關,熔深控制在蒙皮厚度一半左右時抗拉強度達最大值,其橫向、軸向、縱向抗拉強度分別達母材的87.8％、53.1%、90.8%,達到或者超過了空客公司的水準;接頭的條件疲勞強度約為80.7MPa,為其靜載強度的30%左右。

5、>　　針對長焊縫、多桁條、高速焊接容易出現焊接過程不穩(wěn)定的問題,借助高速攝像手段分析了焊絲熔入特征的主要影響因素,結果表明:焊絲與激光束的相對位置關系是影響焊絲穩(wěn)定熔入的關鍵,當光-絲部分重疊時,液態(tài)焊絲經焊絲端部與匙孔前沿間的“液橋”穩(wěn)定、持續(xù)的流入熔池,焊接過程最穩(wěn)定且成形美觀,該過渡模式需具有兩個必要條件:焊絲與工件接觸,接觸位置位于匙孔前沿。
　　建立了三維準穩(wěn)態(tài)T型接頭雙側激光焊接過程熱-流耦合數學模型,計算結果表明雙側

6、熱源交匯位置能量耦合效果顯著,導致熔池最大長度位于熱源交匯位置附近,匙孔上方出現明顯對流,匙孔底部存在明顯的漩渦流動,熔池尾部液態(tài)金屬先流向熔池長度最大位置附近再流向熔池表面。
　　匙孔貫通性消失導致匙孔底部漩渦流動更明顯且更復雜,熔池尾部流向熔池底部的傾向更明顯;匙孔同步性降低致使雙側熔池不對稱,前后兩匙孔間出現兩個新的漩渦流動;提高焊接速度雙側熱源能量耦合減弱,匙孔上方對流現象消失,熔池尾部完全流向熔池表面。匙孔貫通性、同步性