CN108857068A - 一种用于飞机进气口前缘薄壁构件的激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于飞机进气口前缘薄壁构件的激光焊接方法，包括焊接夹具和气体保护装置，焊接夹具包括仿气动外形膜胎上，气体保护装置为三层管结构。焊接时，待焊构件贴合在仿气动外形膜胎上；氩气通过中间层管，经过锥形管提高气体的流速后作用于熔池，实现熔池保护；氩气通过进气管通入外层管，并经过喇叭管增加焊缝保护范围，实现正面焊缝保护。氩气通过仿气动外形膜胎上的背面气体保护槽，在槽内形成一定的压力和浓度后，实现构件背面焊缝保护。

Description

一种用于飞机进气口前缘薄壁构件的激光焊接方法
技术领域：
本发明涉及飞机零部件焊接技术领域，特别是一种用于飞机进气口前缘薄壁构件的激光焊接方法。
背景技术
飞机的进气道是用于喷气式发动机所需空气的进口和通道，其中进口前缘由于气动原因较为钝圆，类似唇口，以避免低速起飞时进口处气流分离。进气口前缘构件一般选用不锈钢材料，其结构特点是璧薄、气动外形型面等。某型机进气口前缘构件采用0Cr18Ni9不锈钢，由8块蒙皮成型的零件通过焊接和铆接的型式连接在一起，其中焊接采用手工钨极氩弧焊。外场多次反映，前缘构件焊缝部位出现多处裂纹，给飞行安全很大程度上造成危险。经研究分析，焊接变形是进气口前缘构件焊缝开裂的关键因素，由于焊后装配时带应力铆接，且应力较大，随着飞行次数的增加焊缝在内应力的作用下开裂。
激光焊接技术与手工钨极氩弧焊(TIG焊)焊接方法相比，具有能量密度高，加热集中，对材料热损伤小，焊缝深宽比大，焊接变形小，焊缝质量好，接头强度高，尤其在薄壁结构件焊接上激光焊独具优势。激光焊接作为一种先进的焊接技术，具有传统焊接方法无可比拟的显著优点，已成为现代航空结构不可缺少的连接技术。
因此本发明希望能够将激光焊接技术焊后变形小的优点应用于此类构件的制造中。但实现该构件的激光焊接并不容易，存在一些难题。一是由于薄壁刚性较差，形状复杂，焊接定位较难实现，零件外形难以准确保证，特别是在间隙和阶差的调整和控制方面。而激光焊这种精密焊接方法对焊板间隙、光斑与焊缝位置的偏离很敏感。所以需要使用合适的焊接夹具定位以保证各焊件的相对位置。二是接部位为空间曲面上的曲线，焊接过程中焊缝在高温状态下的保护显得尤为重要，由于传统的气体保护托罩不适用于空间焊缝的焊接，设计并制作气体保护装置以使保护焊缝不受有害气体的污染成为保证焊缝质量的关键。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种飞机进气口前缘薄壁构件的激光焊接方法以实现控制变形和保证焊缝质量的目的。
一种用于飞机进气口前缘薄壁构件的激光焊接方法，包括如下步骤：
1包括一种焊接夹具，由仿气动外形膜胎、压条、支撑块、定位销组成，仿气动外形膜胎为夹具基座，其外形与飞机进气口前缘薄壁构件的外形一致，其端头上设有与待焊接构件上工艺孔一致的定位孔，仿气动外形膜胎上待焊接零件焊缝的对应位置处开有背面气体保护槽；
2包括一种气体保护装置，装置顶部为与焊接设备连接的对接板，对接板中心设有激光束通孔，下部为套管型结构，分为三层，内层管为激光束通道；中间层管下部设有气体透镜，管口处为锥形管结构；外层管下部设有气体透镜，管口处为喇叭管结构；中间层管和外层管分别与进气管相通；
3将待焊构件通过型面两端的工艺孔与仿气动外形膜胎实现准确定位；并将其压紧贴合在仿气动外形膜胎上；
4氩气通过进气管通入中间层管，在管道内形成一定的压力和浓度后，经气体透镜过滤与雾化，并经过锥形管提高气体的流速后作用于熔池，实现熔池保护；
5氩气通过进气管通入外层管，在管道内形成一定的压力和浓度后，经气体透镜过滤与雾化，并经过喇叭管增加焊缝保护范围，实现正面焊缝保护。
6氩气通过焊接夹具仿气动外形膜胎上的背面气体保护槽，在槽内形成一定的压力和浓度后，实现构件背面焊缝保护。
本发明使用仿气动外形膜胎保证了进气口前缘薄壁构件表面完全贴合，并且在空间曲面实现了曲线焊缝的气体保护。套管型式气体保护装置实现了熔池金属和焊缝正面金属的保护。同时，避免了数控五轴设备在合成焊缝轨迹过程中由于各轴联动造成气体保护托罩与工件或工装形成干涉的难题。本发明有效地解决了进气口前缘薄壁构件激光焊接的难题，可实现该类构件的小变形焊接。
附图说明
图1构件焊接整体示意图
图2定位焊接一体化夹具示意图
图3气体保护装置结构示意图
图4进气口前缘薄壁构件示意图
图中编号说明：1-仿气动外形膜胎；2-压条；3-支撑块；4-压紧件；5-背面气体保护槽；6-定位销；7-对接板；8-进气管；9-激光束；10-内层管；11-中间层管；12-外层管；13-锥形管；14-喇叭管；15-气体透镜；16-工艺孔；17-焊缝
具体实施方式
进气口前缘薄壁构件如图4所示，构件两侧边缘留10mm余量，构件两侧设有的工艺孔16，材料均为0Cr18Ni9不锈钢，空间曲面上的曲线焊缝17如图4所示。
图1为整个焊接装置的示意图。进气口前缘薄壁构件置于焊接夹具对应的位置上，插入定位销，用塞尺检查构件之间的对合间隙，直至修合至0.1mm间隙(局部为0.15mm)范围内，然后利用压紧件4将构件与膜胎进行贴合压紧，实现进气口前缘薄壁构件快速、准确的定位与夹持。
图2为焊接夹具示意图，由仿气动外形膜胎1、压条2、支撑块3、定位销6组成，仿气动外形膜胎1为夹具基座，其外形与飞机进气口前缘薄壁构件的外形一致，其端头上设有与待焊接构件上工艺孔16一致的定位孔，仿气动外形膜胎1上待焊接零件焊缝的对应位置处开有背面气体保护槽5；
图3为气体保护装置示意图，装置顶部为与焊接设备连接的对接板7，对接板7中心设有激光束9通孔，下部为套管型结构，分为三层，内层管10为激光束9通道；中间层管11下部设有气体透镜15，管口处为锥形管13结构；外层管12下部设有气体透镜15，管口处为喇叭管14结构；中间层管11和外层管12分别与进气管8相通。
焊接时首先将待焊构件通过型面两端的工艺孔16与仿气动外形膜胎1实现准确定位；并将其压紧贴合在仿气动外形膜胎1上.
然后，氩气通过进气管8通入中间层管11，在管道内形成一定的压力和浓度后，经气体透镜15过滤与雾化，并经过锥形管13提高气体的流速后作用于熔池，实现熔池保护；
其次，氩气通过进气管8通入外层管12，在管道内形成一定的压力和浓度后，经气体透镜15过滤与雾化，并经过喇叭管14增加焊缝保护范围，实现正面焊缝17保护。
最后，氩气通过焊接夹具仿气动外形膜胎1上的背面气体保护槽5，在槽内形成一定的压力和浓度后，实现构件背面焊缝保护。
由于进气口前缘薄壁构件形状复杂，焊缝均为空间曲线，考虑到激光焊接方法对位置精度的要求，焊缝轨迹利用CAD-CAM软件离线编程在线修正的方法，修正过程中采用多段插补的示教编程来最终实现整个焊缝轨迹的行走。
整个焊接过程采用定位、封缝和正式焊接的方式进行，设备为光纤激光器4kW，焊接工艺参数见表1。
表1激光焊接工艺参数

Claims (1)

1.一种用于飞机进气口前缘薄壁构件的激光焊接方法，其特征在于包括如下步骤：
1-1包括一种焊接夹具，由仿气动外形膜胎、压条、支撑块、定位销组成，仿气动外形膜胎为夹具基座，其外形与飞机进气口前缘薄壁构件的外形一致，其端头上设有与待焊接构件上工艺孔一致的定位孔，仿气动外形膜胎上待焊接零件焊缝的对应位置处开有背面气体保护槽；
1-2包括一种气体保护装置，装置顶部为与焊接设备连接的对接板，对接板中心设有激光束通孔，下部为套管型结构，分为三层，内层管为激光束通道；中间层管下部设有气体透镜，管口处为锥形管结构；外层管下部设有气体透镜，管口处为喇叭管结构；中间层管和外层管分别与进气管相通；
1-3将待焊构件通过型面两端的工艺孔与仿气动外形膜胎实现准确定位；并将其压紧贴合在仿气动外形膜胎上；
1-4氩气通过进气管通入中间层管，在管道内形成一定的压力和浓度后，经气体透镜过滤与雾化，并经过锥形管提高气体的流速后作用于熔池，实现熔池保护；
1-5氩气通过进气管通入外层管，在管道内形成一定的压力和浓度后，经气体透镜过滤与雾化，并经过喇叭管增加焊缝保护范围，实现正面焊缝保护。
1-6氩气通过焊接夹具仿气动外形膜胎上的背面气体保护槽，在槽内形成一定的压力和浓度后，实现构件背面焊缝保护。
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