CN105665931A - 一种预填焊材的t型结构双激光束焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，它涉及一种双激光束焊接方法，以解决由双侧激光焊接熔池流场特性所造成的焊丝合金元素在焊缝中混合不均匀的问题。本发明方法：一、在蒙皮上表面待焊位置中心沿焊接方向机械铣削凹槽，对蒙皮进行化学清洗以去除氧化膜和加工污渍；二、向凹槽中预填焊材：将焊丝从焊丝盘引出并先后穿过刮削筒和电阻加热筒，导轮和碾压轮依次放置于凹槽上，焊丝通过导轮被送入凹槽内，随后碾压轮对凹槽内的焊丝进行碾压使其镶嵌于凹槽内，预填焊材与凹槽表面紧密配合无孔隙，且预填焊材上表面与蒙皮上表面重合，完成预填焊材过程；三、对长桁与蒙皮进行双激光束焊接，获得双侧对称焊缝。本发明用于T型结构双激光束焊接。

Description

一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法
技术领域
本发明涉及一种双激光束焊接方法，特别涉及一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，可以应用于飞机壁板制造过程中长桁和蒙皮的焊接过程。
背景技术
在飞机的机身筒段中存在大量的长桁-蒙皮T型结构，这种T型结构此前主要采用传统的铆接方法进行连接。然而，铆接不但生产效率低下，而且额外增加了机身的重量，降低了飞机的燃油经济性。上世纪90年代初空中客车公司率先开展了双侧激光同步焊接技术的研究，并成功利用该技术实现了对长桁1-蒙皮2T型结构的焊接，焊缝成形如图1所示。相比于铆接工艺，双侧激光同步焊接不仅提高了生产效率，而且大大降低了机身重量，因此更加节约燃油，降低了飞行成本。目前这一革新技术已成功应用于空中客车A318/A380等型号机身壁板的加工制造工艺上。
为了获得外形均匀对称且尺寸达标的双侧激光焊缝，焊接工艺要求采用双侧对称填送焊丝的方式。焊丝的作用主要为补充焊接金属、合金调控以强化焊缝并抑制焊缝内孔洞、裂纹等缺陷。而由于硅元素具有突出的流动特性，实际生产中使用较多的主要为铝硅焊丝(如ER4043和ER4047焊丝)。然而，实验中发现由于T型结构双激光束焊接明显不同于对接焊接的熔池流场特征，导致焊丝内合金元素很难与原始蒙皮母材充分混合。以上原因形成了以蒙皮上表面为分界，焊缝内上下侧元素分布不均匀的问题，即焊缝长桁侧3的元素组成主要由长桁1与焊丝成分充分混合而形成，而焊缝蒙皮侧4的元素组成则主要由蒙皮2与很少量焊丝成分不均匀混合而形成，特别是在焊缝蒙皮侧4最大熔深H附近组织基本是由蒙皮2母材重新凝固结晶而形成，如图1所示。由于现有双侧激光焊接没有凹槽，焊缝中焊丝合金成分自上至下呈梯度不均匀分布使焊丝对焊缝蒙皮侧4组织合金调控和裂纹抑制的作用被极大限制，最终导致热裂纹缺陷在焊缝底部萌生扩展以及焊缝整体力学性能的下降。
针对以上问题，国外已经有学者展开相关研究并发现，通过增大送丝速度能够促使焊丝成分在惯性的作用下进一步向熔池底部扩展。然而，实验发现仅仅通过增大送丝速度很难实现焊丝成分在熔池底部的充分混合，更重要的是过大的送丝速度不但会恶化焊缝成形更会破坏双侧激光焊接的稳定性，从而形成焊接缺陷。
发明内容
本发明为了解决由双侧激光焊接熔池流场特性所造成的焊丝合金元素在焊缝中混合不均匀的问题，而提出一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法。
本发明提出的一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，所述焊接方法是对飞机壁板T型结构的焊接，该T型结构由竖直放置的长桁与水平放置的蒙皮焊接而成，具体焊接方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、加工凹槽：在蒙皮上表面待焊位置中心沿焊接方向机械铣削凹槽，对蒙皮进行化学清洗以去除氧化膜和加工污渍；
步骤二、向凹槽中预填焊材：选择双侧激光焊接中使用的ER4047焊丝作为预填焊材，将焊丝从焊丝盘引出并先后穿过刮削筒和电阻加热筒，导轮和碾压轮依次放置于凹槽上，焊丝通过导轮被送入凹槽内，随后碾压轮对凹槽内的焊丝进行碾压使其镶嵌于凹槽内，预填焊材与凹槽表面紧密配合无孔隙，且预填焊材上表面与蒙皮上表面重合，完成预填焊材过程，碾压轮的宽度d大于凹槽的最大宽度L1；
步骤三、对长桁与蒙皮进行双激光束焊接：将长桁沿凹槽的竖直中心线放置于预填焊材上，将两个焊丝对称放置于长桁两侧，两个激光束对称放置于长桁两侧，两个保护气喷嘴对称放置于长桁两侧，焊丝、激光束和保护气喷嘴的顺序为由前至后依次设置，长桁和蒙皮的厚度均为2mm～3mm，双激光束的激光功率为2500W～3500W，双激光束的入射角度为20°～35°，焊接速度为2m/min～12m/min，采用惰性气体对双侧激光焊缝进行实时保护，保护气的气流量为10L/min～20L/min，对长桁与蒙皮进行双激光束焊接，获得双侧对称焊缝。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、由于本发明进行连续焊接步骤之前增加了凹槽，并向凹槽中预填焊材的步骤，凹槽使得焊丝元素能够在焊缝蒙皮侧内均匀混合，焊缝长桁侧与蒙皮侧中焊丝成分分布差异基本消除，最终降低了焊缝的裂纹倾向，提高了焊缝的力学性能。本发明方法能够有效解决双侧激光焊接过程中焊丝元素在焊缝中无法均匀混合的问题。
二、本发明的方法中预制的凹槽结构简单，易于加工且选择多样，可以根据具体需要选择不同界面形貌的凹槽；实验证明，合理加工凹槽不会破坏T型结构焊缝特征，能够在传统T型结构焊缝的基础上进一步提高焊缝的力学性能。
三、本发明的方法中预填焊材可以选用与双激光束焊接相同的焊丝(预填焊材和双激光束焊丝均选用ER4047焊丝)，无需特殊加工焊材，降低成本；实验证明，焊丝先后经过刮削、预热和碾压能够被理想填入凹槽内，未见成形缺陷，不影响焊接过程稳定性。
四、本发明的方法中预填焊材可以选用与双激光束焊接不同成分的焊丝(预填焊材选用ER2319焊丝、双激光束焊丝选用ER4047焊丝)，能够实现对焊缝蒙皮侧组织的特定调控。
五、本发明的方法不仅适用于T型结构的焊接，也适用于搭接结构、十字结构、丁字结构等结构的焊接。
六、本发明的方法容易实现，且效率高、成本低廉。
附图说明
图1是蒙皮-长桁T型结构双激光束焊缝示意图；
图2是预置凹槽6为倒三角形的示意图；
图3是预置凹槽6为矩形的示意图；
图4是在凹槽内碾压预填焊材的示意图；
图5是长桁1置于预填焊材12上的位置示意图；
图6是双激光束填丝焊接示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图6说明本实施方式，本实施方式的焊接方法是对飞机壁板T型结构的焊接，该T型结构由竖直放置的长桁1与水平放置的蒙皮2焊接而成，具体焊接方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、加工凹槽6：在蒙皮2上表面待焊位置中心沿焊接方向机械铣削凹槽6，凹槽6的类型及加工尺寸根据焊缝蒙皮侧4横截面的实际尺寸及限制条件设计，对蒙皮2进行化学清洗以去除氧化膜和加工污渍；
步骤二、向凹槽6中预填焊材12：将焊丝9从焊丝盘5引出并先后穿过刮削筒7和电阻加热筒8，其中刮削筒7作用为去除焊丝表面氧化膜及污垢，防止其进入凹槽6内，电阻加热筒8作用为预热焊丝，使焊丝更易于形变，为接下来的碾压过程做准备；导轮10和碾压轮11依次放置于凹槽6上，焊丝9通过导轮10被送入凹槽6内，随后碾压轮11对凹槽6内的焊丝9进行碾压使其镶嵌于凹槽6内，预填焊材12与凹槽6表面紧密配合无孔隙，且预填焊材12上表面与蒙皮2上表面重合，完成预填焊材过程，碾压轮11的宽度d大于凹槽6的最大宽度L1；
步骤三、对长桁1与蒙皮2进行双激光束焊接：将长桁1沿凹槽6的竖直中心线N-N放置于预填焊材12上(长桁1与蒙皮2构成T型结构)，将两个焊丝9对称放置于长桁1两侧，两个激光束13对称放置于长桁1两侧，两个保护气喷嘴14对称放置于长桁1两侧，焊丝9、激光束13和保护气喷嘴14的顺序为由前至后依次设置，长桁1和蒙皮2的厚度均为2mm～3mm，双激光束的激光功率为2500W～3500W，双激光束的入射角度为20°～35°，焊接速度为2m/min～12m/min，采用惰性气体对双侧激光焊缝进行实时保护，保护气的气流量为10L/min～20L/min，对长桁1与蒙皮2进行双激光束焊接，获得双侧对称焊缝15。
具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式是步骤一中凹槽6的截面形状为倒三角形或矩形。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式是步骤二中焊丝9选用ER4047焊丝，预填焊材12选用ER4047焊丝或ER2319焊丝。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式是步骤二中凹槽6的截面积应等于预填焊丝12截面积，对于倒三角形凹槽，L1H1/2＝πr2，对于矩形凹槽，L2H2＝πr2，r为焊丝半径。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式是步骤二中凹槽6的最大深度应小于焊缝蒙皮侧4的最大熔深H，即H1＜H或H2＜H，凹槽6的最大宽度应小于焊缝蒙皮侧4的最大熔宽L，即L1＜L或L2＜L。其它步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式是步骤二中碾压轮11的宽度d为凹槽6的最大宽度L1(L2)的2倍～10倍，碾压速度为100mm/min～500mm/min。其它步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，本实施方式是步骤二中刮削筒7的刮削量设定为自焊丝9表面向内0.05mm～0.1mm。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图4说明本实施方式，本实施方式是步骤二中电阻加热筒8的加热温度设定为100℃～300℃。其它步骤与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图5说明本实施方式，本实施方式是步骤三中的长桁1和蒙皮2的材质均为铝合金、铝锂合金或钛合金。其它步骤与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：结合图4说明本实施方式，本实施方式是步骤三中惰性气体采用Ar或He。其它步骤与具体实施方式九相同。
具体实施方式十一：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式是步骤三中，当长桁1和蒙皮2厚度均为2mm，焊缝蒙皮侧4最大熔深H控制范围为0.5mm～1mm，凹槽6的最大深度H1与蒙皮侧4最大熔深H满足关系：H1＝0.9H，凹槽6的最大宽度L1与双侧激光焊缝的最大熔宽L满足关系：L1＝0.9L。其它步骤与具体实施方式十相同。
具体实施方式十二：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式是步骤三中，当长桁1和蒙皮2厚度均为2mm，双激光束的激光功率选为3000W，双激光束的入射角度选为22°，焊接速度选为10m/min，焊丝直径为1.2mm，送丝速度为4300mm/min，采用Ar气保护，气流量为18L/min。其它步骤与具体实施方式十一相同。
具体实施方式十三：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式是步骤三中，当长桁1和蒙皮2厚度均为2.5mm，双激光束的激光功率选为3500W，双激光束的入射角度选为22°，焊接速度选为10m/min，焊丝直径为1.2mm，送丝速度为4800mm/min，采用Ar气保护，气流量为18L/min。其它步骤与具体实施方式十一相同。
具体实施方式十四：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式是步骤二中焊丝盘5的竖直中心线、凹槽6的竖直中心线、刮削筒7的竖直中心线、电阻加热筒8的竖直中心线和焊丝9的竖直中心线均位于同一平面内。其它步骤与具体实施方式一相同。

Claims (10)

1.一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，所述焊接方法是对飞机壁板T型结构的焊接，该T型结构由竖直放置的长桁(1)与水平放置的蒙皮(2)焊接而成，其特征在于：所述焊接方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、加工凹槽(6)：在蒙皮(2)上表面待焊位置中心沿焊接方向机械铣削凹槽(6)，对蒙皮(2)进行化学清洗以去除氧化膜和加工污渍；
步骤二、向凹槽(6)中预填焊材(12)：将焊丝(9)从焊丝盘(5)引出并先后穿过刮削筒(7)和电阻加热筒(8)，导轮(10)和碾压轮(11)依次放置于凹槽(6)上，焊丝(9)通过导轮(10)被送入凹槽(6)内，随后碾压轮(11)对凹槽(6)内的焊丝(9)进行碾压使其镶嵌于凹槽(6)内，预填焊材(12)与凹槽(6)表面紧密配合无孔隙，且预填焊材(12)上表面与蒙皮(2)上表面重合，完成预填焊材过程，碾压轮(11)的宽度d大于凹槽(6)的最大宽度L1；
步骤三、对长桁(1)与蒙皮(2)进行双激光束焊接：将长桁(1)沿凹槽(6)的竖直中心线(N-N)放置于预填焊材(12)上，将两个焊丝(9)对称放置于长桁(1)两侧，两个激光束(13)对称放置于长桁(1)两侧，两个保护气喷嘴(14)对称放置于长桁(1)两侧，焊丝(9)、激光束(13)和保护气喷嘴(14)的顺序为由前至后依次设置，长桁(1)和蒙皮(2)的厚度均为2mm～3mm，双激光束的激光功率为2500W～3500W，双激光束的入射角度为20°～35°，焊接速度为2m/min～12m/min，采用惰性气体对双侧激光焊缝进行实时保护，保护气的气流量为10L/min～20L/min，对长桁(1)与蒙皮(2)进行双激光束焊接，获得双侧对称焊缝(15)。
2.根据权利要求1所述的一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，其特征在于：所述步骤一中凹槽(6)的截面形状为倒三角形或矩形。
3.根据权利要求1或2所述的一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，其特征在于：所述步骤二中焊丝(9)选用ER4047焊丝，预填焊材(12)选用ER4047焊丝或ER2319焊丝。
4.根据权利要求3所述的一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，其特征在于：所述步骤二中凹槽(6)的截面积应等于预填焊丝(12)截面积。
5.根据权利要求4所述的一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，其特征在于：所述步骤二中且凹槽(6)的最大深度应小于焊缝蒙皮侧(4)的最大熔深H，凹槽(6)的最大宽度应小于焊缝蒙皮侧(4)的最大熔宽L。
6.根据权利要求5所述的一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，其特征在于：所述步骤二中碾压轮(11)的宽度d为凹槽(6)的最大宽度L1的2倍～10倍，碾压速度为100mm/min～500mm/min。
7.根据权利要求6所述的一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，其特征在于：所述步骤二中刮削筒(7)的刮削量设定为自焊丝(9)表面向内0.05mm～0.1mm。
8.根据权利要求7所述的一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，其特征在于：所述步骤二中电阻加热筒(8)的加热温度设定为100℃～300℃。
9.根据权利要求8所述的一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，其特征在于：所述步骤三中的长桁(1)和蒙皮(2)的材质均为铝合金、铝锂合金或钛合金。
10.根据权利要求9所述的一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，其特征在于：所述步骤三中惰性气体采用Ar或He。
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