CN110666341A - 一种分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法与装置，该方法包括：构建分叉尾喷管的三维模型；确定需要进行激光冲击强化的焊接区域；规划焊接区域的双激光束运动的轨迹；确定激光冲击锻打的温度区间，确定锻打时间窗口；设置激光焊接系统、激光锻打系统、机器人运动系统的参数；启动系统，对分叉尾喷管进行双激光束复合焊接处理；通过三维轮廓扫描装置，在激光焊接过程中监控加工过程并实施检测；通过系统采集并反馈的数据保证激光锻打光束作用于最佳的锻打温度范围内。本发明能消除焊接区域局部应力集中，细化晶粒且使焊缝组织致密，有效防止裂纹萌生和扩展，从而提高尾喷管的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀性能，增强可靠性和使用寿命。

Description

一种分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法与装置

技术领域

本发明涉及分叉尾喷管焊接技术领域，尤其涉及一种分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法与装置。

背景技术

尾喷管是发动机的关键部件之一，由薄壁板焊接而成，喷管裂纹是尾喷管最常见的失效形式，对喷管的可靠性造成极大影响。由于分叉尾喷管的结构具有一定的振动固有频率，在力矩或干扰力作用下工作时，会按激励的频率进行强迫振动，当激振频率与其固有频率相同时，就会产生共振现象，由此造成尾喷管裂纹故障。分叉尾喷管的裂纹故障主要发生在尾喷管拼接处的焊缝区域。裂纹故障的存在会导致发动机排向大气中的尾气可能会扩散到发动机周围，发生漏气事故。由于尾气温度仍然很高，尾喷管内的气压大于尾喷管周围的气压，尾气将扩散出去，发动机的燃油管道和减速器会受到很强的热辐射，将会烧坏发动机，最后可能酿成惨重事故。因此，提高尾喷管焊接加工过程中焊缝区的强度和抗疲劳能力，防止因持续共振造成尾喷管的结构破坏，成为了当下急需解决的重要课题。

分叉尾喷管在焊接过程中会产生焊接应力且焊缝的焊接强度低。焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力的根本原因。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力称为瞬态焊接应力；焊接温度场消失后的应力称为残余焊接应力。在薄壁焊件中，焊接残余应力基本上是平面应力，厚度方向的应力很小。焊接残余应力会影响焊件的强度、刚度、受压稳定性、加工精度、尺寸稳定性以及耐腐蚀性等。因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述焊接方法的焊接装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法，该焊接方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：构建分叉尾喷管的三维模型；

步骤S2：根据分叉尾喷管的三维模型，确定需要进行焊接的区域；

步骤S3：根据分叉尾喷管的激光焊接区域，规划两束激光作用下机器人的运动轨迹；

步骤S4：根据尾喷管的材料以及工况要求，确定激光焊接的送粉速率、送粉量和两束激光的激光参数，同时确定激光冲击锻打的温度区间，通过温度区间与熔覆降温速率，计算出激光锻打的时间窗口；

步骤S5：将分叉尾喷管通过夹具装夹到机器人系统的机械手臂末端；

步骤S6：通过总控制系统分别设置激光焊接系统、激光锻打系统、机器人系统的工艺参数，保证三个子系统配合协调工作，完成分叉尾喷管的复合焊接处理；

步骤S7：在尾喷管的激光焊接过程中，通过三维轮廓扫描装置，监控和检测加工过程中尾喷管表面焊接熔覆层的形状和尺寸，采集加工质量信息；

步骤S8：同时通过三维轮廓扫描装置、运动监控装置和温度传感器收集并反馈的数据，控制机器人的运动速度，调整激光焊接和激光锻打的激光脉冲宽度、脉冲频率、脉冲能量和光斑直径，保证激光锻打光束始终作用于最佳的锻打温度范围内，从而保证加工质量。

作为本发明的优选方案，所述步骤S4中的所述激光焊接和激光锻打的激光能量在1-10J之间，采用圆形光斑，光斑直径1-3mm，激光脉冲宽度为8ns-16ns，脉冲重复频率为20Hz。

作为本发明的优选方案，所述步骤S4中的焊接激光束沿运动方向始终位于锻打激光束之前，焊接激光束和锻打激光束在焊接锻打过程中始终保持相对位置不变，直到整个零件焊接工作完成。

作为本发明的优选方案，所述步骤S8中的所述运动监控装置为智能监控设备，能够及时反馈两束激光和机器人的工作情况，将采集的数据发送至总控制系统，总控制系统结合三维轮廓扫描装置和温度传感器采集的数据，进行运算分析，然后协调各子系统做出各工艺参数的合理调整。

本发明的另一目的可通过下述技术方案实现：

一种分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接装置，该焊接装置主要包括总控制系统、焊接激光控制系统、锻打激光控制系统、检测装置控制系统、机器人控制系统、焊接激光器、锻打激光器、焊接激光头、锻打激光头、温度传感器、三维轮廓扫描装置、运动监控装置、以及用于夹持尾喷管的机器人。

具体的，所述总控制系统分别与焊接激光控制系统、锻打激光控制系统、检测装置控制系统和机器人控制系统通过电信号连接，实现统一管理和降低系统的延迟性。所述焊接激光器与焊接激光头连接，所述焊接激光控制系统与焊接激光器连接，并控制焊接激光器从焊接激光头发出焊接激光。所述锻打激光头与锻打激光器连接，所述锻打激光控制系统与锻打激光器连接，并控制锻打激光器从锻打激光头发出锻打激光。所述检测装置控制系统分别与温度传感器、三维轮廓扫描装置和运动监控装置连接。所述机器人控制系统与机器人相连，驱动机器人将尾喷管夹紧并按预设的轨迹运动。

作为本发明的优选方案，所述机器人采用航空发动机分叉尾喷管的夹板式型面控制工装夹具。

作为本发明的优选方案，所述焊接激光头和锻打激光头沿零件加工运动的方向一前一后布置，并确保焊接激光束和锻打激光束在焊接锻打过程中始终保持相对位置不变。

本发明的工作过程和原理是：首先对分叉尾喷管进行三维建模，然后根据分叉尾喷管的三维模型，确定需要进行焊接的区域，进而规划两束激光作用下机器人的运动轨迹，然后根据尾喷管的材料和工况要求，确定激光焊接的送粉速率、送粉量和两束激光的激光参数，同时确定激光冲击锻打的温度区间，再结合熔覆降温速率，确定激光锻打时间窗口；接着在设置好激光焊接系统、激光锻打系统和机器人运动系统的工艺参数后，将系统启动，对分叉尾喷管进行双激光束冲击锻打焊接处理，在加工过程中，通过三维轮廓扫描装置、温度传感器和运动监控装置对加工过程及加工质量进行监控与检测，将采集的数据实时发送至总控制系统进行分析运算，最终由总控制系统协调各子系统做出各工艺参数的合理调整，保证尾喷管的激光冲击锻打焊接加工质量，提高尾喷管的可靠性和使用寿命，从而实现航空发动机分叉尾喷管的精密柔性制造。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法与装置能够实现对分叉尾喷管焊缝激光冲击锻打强化，能消除焊接区域局部应力集中，产生较大的残余压应力，细化晶粒且使焊缝组织致密。

(2)本发明所提供的分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法与装置能够有效防止裂纹萌生和扩展，提高了焊缝区域的强度、刚度以及稳定性，从而提高尾喷管的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀性能，增强可靠性和使用寿命。

(3)本发明所提供的分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法与装置能够实现尾喷管在焊接制造过程中同时实现强化处理，省去了强化尾喷管的后处理工序，省工省时且节约成本。

附图说明

图1是本发明所提供的分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法的流程图。

图2是本发明所提供的分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接装置的结构示意图。

图3是本发明所提供的双激光束冲击锻打复合焊接的加工示意图。

图4是本发明所提供的分叉尾喷管的结构示意图。

上述附图中的标号说明：

1-总控制系统、2-焊接激光控制系统、3-锻打激光控制系统、4-检测装置控制系统、5-机器人控制系统、6-焊接激光器、7-锻打激光器、8-焊接激光头、9-锻打激光头、10-温度传感器、11-三维轮廓扫描装置、12-运动监控装置、13-尾喷管、14-机器人、15-焊接激光束、16-锻打激光束、17-焊接熔池。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1至4所示，本实施例公开了一种分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接装置，该装置主要包括总控制系统1、焊接激光控制系统2、锻打激光控制系统3、检测装置控制系统4、机器人控制系统5、焊接激光器6、锻打激光器7、焊接激光头8、锻打激光头9、温度传感器10、三维轮廓扫描装置11、运动监控装置12、以及机器人14。

其中，总控制系统1分别与焊接激光控制系统2、锻打激光控制系统3、检测装置控制系统4、机器人控制系统5相连；焊接激光控制系统2与焊接激光器6相连；锻打激光控制系统3与锻打激光器7相连；检测装置控制系统4分别与温度传感器10、三维轮廓扫描装置11和运动监控装置12相连；机器人控制系统5与机器人14相连；所有控制系统通过电信号连接，实现系统的统一管理，降低系统的延迟响应。

参见图1，本发明还提出了一种分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法。包括以下步骤：

1)构建分叉尾喷管13的三维模型；

2)根据分叉尾喷管13的三维模型，确定需要进行焊接的区域；

3)根据分叉尾喷管13的激光焊接区域，规划两束激光作用下机器人14的运动轨迹；

4)根据尾喷管13的材料以及工况要求，确定激光焊接的送粉速率、送粉量和两束激光的激光参数，同时确定激光冲击锻打的温度区间，通过温度区间与熔覆降温速率，计算出激光锻打的时间窗口；

5)将分叉尾喷管13通过夹具装夹到机器人14的机械手臂末端；

6)通过总控制系统1分别设置激光焊接系统2、激光锻打系统3、机器人控制系统5的工艺参数，保证三个子系统配合协调工作，完成分叉尾喷管13的复合焊接处理；

7)在尾喷管13的激光复合焊接过程中，通过三维轮廓扫描装置11，监控和检测加工过程中尾喷管13表面焊接熔覆层的形状和尺寸，采集加工质量信息；

8)同时通过三维轮廓扫描装置11、运动监控装置12和温度传感器10收集并反馈的数据，控制机器人14的运动速度，调整激光焊接和激光锻打的激光脉冲宽度、脉冲频率、脉冲能量和光斑直径，保证激光锻打光束16始终作用于最佳的锻打温度范围内，从而保证加工质量。

通过三维建模软件对尾喷管13进行三维建模，根据三维模型和尾喷管的制造工艺直接确定需要进行焊接的区域。

参见图1和图2，本发明在实际应用中，将尾喷管13夹装固定于装夹机器人14的尾喷管工装夹具上，其中尾喷管工装夹具是航空发动机分叉尾喷管13的卡板式型面控制工装。

本发明中，焊接激光控制系统2和锻打激光控制系统3接收总控制系统1下达的指令后，控制焊接激光器6和锻打激光器7设置相应的激光脉冲宽度、能量、光斑直径、脉冲重复频率等参数，同时设置送粉速率、送粉量以及两束激光作用的时间差，最终通过焊接激光头8和锻打激光头9发出焊接激光束15和锻打激光束16进行激光冲击锻打复合焊接加工；激光能量设置在1-10J之间，采用的是圆形光斑，光斑直径1-3mm，激光脉冲宽度为8ns-16ns，脉冲重复频率20Hz。

系统启动后，机器人控制系统5接收总控制系统1下达的指令，控制夹持机器人14按照预设好的轨迹运动，进行加工处理；检测装置控制系统4接收总控制系统1下达的指令，同步控制开启三维轮廓扫描装置11、运动监控装置12和温度传感器10对整个加工过程进行监控和加工质量信息进行采集，采集到的数据传送回总控制系统1，总控制系统1对收集到的数据进行分析运算后控制协调各子系统对各工艺参数进行合理的调整以保证加工质量。

本发明中，总控制系统1是具备产品模型数据库和产品加工工艺数据库的计算机智能控制系统，对整个激光冲击锻打复合焊接过程实施智能监测、运算、对比分析和控制。

本发明中，焊接激光头8和锻打激光头9沿零件加工运动的方向一前一后布置，保证焊接激光束15和锻打激光束16在焊接锻打过程中始终保持相对位置不变，直到整个零件焊接工作完成。

激光冲击锻打焊接完毕后，总控制系统1判断尾喷管13的尺寸和焊缝的质量是否满足要求，如满足则加工过程结束。

如果尾喷管13的尺寸或焊缝的质量不满足要求，则交由总控制系统1进行决策和处理。总控制系统1通过协调控制各子系统调整优化各项工艺参数，从而重复进行逐区域的激光冲击锻打复合焊接动作并最终达到尺寸要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：构建分叉尾喷管的三维模型；

步骤S2：根据分叉尾喷管的三维模型，确定需要进行焊接的区域；

步骤S3：根据分叉尾喷管的激光焊接区域，规划两束激光作用下机器人的运动轨迹；

步骤S4：根据尾喷管的材料以及工况要求，确定激光焊接的送粉速率、送粉量和两束激光的激光参数，同时确定激光冲击锻打的温度区间，通过温度区间与熔覆降温速率，计算出激光锻打的时间窗口；

步骤S5：将分叉尾喷管通过夹具装夹到机器人系统的机械手臂末端；

步骤S6：通过总控制系统分别设置激光焊接系统、激光锻打系统、机器人系统的工艺参数，保证三个子系统配合协调工作，完成分叉尾喷管的复合焊接处理；

步骤S7：在尾喷管的激光焊接过程中，通过三维轮廓扫描装置，监控和检测加工过程中尾喷管表面焊接熔覆层的形状和尺寸，采集加工质量信息；

步骤S8：同时通过三维轮廓扫描装置、运动监控装置和温度传感器收集并反馈的数据，控制机器人的运动速度，调整激光焊接和激光锻打的激光脉冲宽度、脉冲频率、脉冲能量和光斑直径，保证激光锻打光束始终作用于最佳的锻打温度范围内，从而保证加工质量。

2.根据权利要求1所述的分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法，其特征在于，所述激光焊接和激光锻打的激光能量在1-10J之间，采用圆形光斑，光斑直径1-3mm，激光脉冲宽度为8ns-16ns，脉冲重复频率为20Hz。

3.根据权利要求1所述的分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法，其特征在于，焊接激光束沿运动方向始终位于锻打激光束之前，焊接激光束和锻打激光束在焊接锻打过程中始终保持相对位置不变，直到整个零件焊接工作完成。

4.根据权利要求1所述的分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法，其特征在于，所述运动监控装置为智能监控设备，能够及时反馈两束激光和机器人的工作情况，将采集的数据发送至总控制系统，总控制系统结合三维轮廓扫描装置和温度传感器采集的数据，进行运算分析，然后协调各子系统做出各工艺参数的合理调整。

5.一种如权利要求1所述的分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接方法的装置，其特征在于，包括总控制系统、焊接激光控制系统、锻打激光控制系统、检测装置控制系统、机器人控制系统、焊接激光器、锻打激光器、焊接激光头、锻打激光头、温度传感器、三维轮廓扫描装置、运动监控装置、以及用于夹持尾喷管的机器人；

所述总控制系统分别与焊接激光控制系统、锻打激光控制系统、检测装置控制系统和机器人控制系统通过电信号连接，实现统一管理和降低系统的延迟性；所述焊接激光器与焊接激光头连接，所述焊接激光控制系统与焊接激光器连接，并控制焊接激光器从焊接激光头发出焊接激光；所述锻打激光头与锻打激光器连接，所述锻打激光控制系统与锻打激光器连接，并控制锻打激光器从锻打激光头发出锻打激光；所述检测装置控制系统分别与温度传感器、三维轮廓扫描装置和运动监控装置连接；所述机器人控制系统与机器人相连，驱动机器人将尾喷管夹紧并按预设的轨迹运动。

6.根据权利要求5所述的分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接装置，其特征在于，所述机器人采用航空发动机分叉尾喷管的夹板式型面控制工装夹具。

7.根据权利要求5所述的分叉尾喷管双激光束冲击锻打复合焊接装置，其特征在于，所述焊接激光头和锻打激光头沿零件加工运动的方向一前一后布置，并确保焊接激光束和锻打激光束在焊接锻打过程中始终保持相对位置不变。

Images