CN110977169A - 一种铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法，该方法采用激光填丝焊技术对铝合金飞机蒙皮点蚀损伤进行快速修复，采用激光填丝焊对铝合金飞机蒙皮点蚀损伤进行快速修复，激光填丝焊机的激光安装在激光头固定架(1)上，具体步骤为：首先，检测点蚀损伤在铝合金飞机蒙皮中的位置及尺寸，设计和加工盲孔，将点蚀损伤部位完全去除；然后，利用激光填丝焊方式将焊丝填入盲孔，并去除焊缝的余高部分；最后，对激光修复区域进行涂漆处理，实现点蚀损伤的激光修复。本发明所采用的激光填丝焊修复方法，能够适应现场复杂环境，具有修复速度快、修复精度高、修复质量好等优点，能有效降低焊接热输入，减小修复变形，可实现铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的快速、优质、高效修复。

Description

一种铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法

技术领域

本发明属于航空装备维修技术领域，具体涉及一种铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法。

背景技术

蒙皮是指包围在飞机骨架结构外的一层维形构件，起到承受和传递气动载荷的作用，是飞机的主要组成部分。铝合金具有密度小、比强度高、比刚度大、耐蚀性好等优点，是目前最常用的飞机蒙皮材料之一。但飞机在长期服役过程中，铝合金蒙皮常出现腐蚀损伤，主要腐蚀形式有点蚀、剥蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀等，其中，点蚀在蒙皮表面一些局部区域表现为小而深的圆形、椭圆形小孔或凹坑，是一种较为隐蔽、危害极大的腐蚀破坏形式。点蚀损伤易引起蒙皮表面保护涂层脱落，降低飞机的飞行安全，甚至会引发疲劳断裂，造成重大飞机安全事故。因此，需要及时对铝合金飞机蒙皮表面的点蚀损伤进行修复。

现有技术中针对铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的主要修复方法有：铆接修复、涂层修复和焊补修复。

铆接修复先将损伤部位切割成圆孔，然后用补片填补切割孔，并用衬片托底，最后将衬片、补片和蒙皮铆接在一起，该方法虽然工艺简单，但由于铆钉连接处极易发生缝隙腐蚀，在消除点蚀缺陷的同时将增加缝隙腐蚀的风险。

涂层修复是将损伤部位去除后，采用无机胶或有机高分子胶层、氧化膜层、漆层、喷涂层等表面涂层填补缺损部位。现有技术如：1)一种铝合金蒙皮泡沫夹芯零件的蒙皮损伤修复方法，CN201610104759；2)铝合金铸件缺陷修复装置，CN201220654621；3)一种用于飞机蒙皮表面现场修复装置，CN203698676U；4)一种铝合金壳体的低压冷喷涂修复方法，CN201710083931。上述方法均采用涂层修复铝合金缺陷，但由于表面涂层与铝合金基体之间未实现冶金结合，导致修复区域力学性能降低，该方法并不适用于修复铝合金蒙皮上较深的点蚀坑。

焊补修复是利用焊接技术修复点蚀损伤，通过将焊接材料加热熔化并填入缺损部位，实现修复层与铝合金基体之间冶金结合，可使修复区域仍具有良好的力学性能。现有技术如：1)铝合金缺陷微区补焊方法，CN200610161293；2)一种铝合金轮毂修复中熔焊填补工艺，CN201610901481。上述方法均采用传统弧焊方法修补铝合金缺陷，但由于弧焊过程热输入过大，极容易造成修复区域严重软化和变形问题。并且，修补现场环境复杂，采用手持焊枪进行焊接或焊枪无法良好地固定，这都造成修补质量无法得到很好的控制，是现场修补施工的很大问题。

目前，国内外还没有一种低热输入的、能够实现铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的高效、优质、快速修复的焊补修复新方法。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法，满足了铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的现场修复的要求，能够解决传统电弧焊补易出现的严重软化和变形问题。

本发明的具体技术方案是一种铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法，其特征在于，采用激光填丝焊对铝合金飞机蒙皮点蚀损伤进行快速修复，激光填丝焊机的激光安装在激光头固定架上，所述的激光头固定架包括三个脚盘、三个下铰链、三根支腿、三个上铰链和固定平台，所述的固定平台用于固定激光头，固定平台的外缘处匀布所述的三个上铰链，所述的三根支腿的一端分别连接在三个上铰链上，三根支腿的另一端分别通过三个下铰链连接所述的三个脚盘，三个脚盘在飞机蒙皮上固定安装平稳，具体步骤如下：

1)确定铝合金飞机蒙皮上的点蚀损伤所在的位置，并测定该点蚀损伤涉及区域的最大外接圆直径和深度的最大值；

2)根据点蚀损伤涉及区域的最大外接圆直径和深度的最大值，确定需加工的盲孔的直径和深度后，加工出盲孔，该盲孔完全包括点蚀损伤涉及区域；

3)选择与铝合金飞机蒙皮基体相匹配的焊接材料，对盲孔进行激光填丝焊修复，使焊接材料完全填入盲孔，然后去除焊缝余高部分，保证激光修复区域与周边蒙皮平齐；

4)对激光修复区域进行涂漆处理，恢复所修复区域的漆层和外观形貌。

更进一步地，所述的步骤2)中的盲孔直径为点蚀损伤涉及区域的最大外接圆直径的1.1～5.0倍，或大于等于1mm，盲孔深度为点蚀损伤涉及区域的最大深度的1.1～2.0倍，盲孔侧壁与底面过渡处采用圆弧过渡。

更进一步地，所述的铝合金飞机蒙皮的基体材料为2A12铝合金，焊接材料采用ER2319铝合金焊丝，焊丝直径为0.8～1.6mm。

更进一步地，所述的步骤3)中的激光填丝焊的工艺参数是：激光功率3.0～3.5kW，焊接速度0.3～1.0m/min，送丝速度0.5～1.2m/min，离焦量+5～+10mm，送丝管倾角30°；激光修复时采用氩气作为保护气体，气流量为20L/min，导气管倾角为45°。

更进一步地，在步骤3)和步骤4)之间还具有对修复区域表面及内部进行渗透探伤和超声探伤检测的步骤，在检测后若未发现咬边、裂纹、气孔等缺陷，则转入步骤4)。

更进一步地，所述的步骤1)中确定铝合金飞机蒙皮上的点蚀损伤所在的位置方法是，采用目测、渗透探伤或超声探伤的方法检测点蚀损伤所在的位置。

本发明的有益效果是：

1)本发明的铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法采用高能密度激光作为热源，修复铝合金飞机蒙皮点蚀损伤时热输入低，热影响区窄，具有修复变形小、修复精度高、修复质量好等优点；

2)采用能够自由固定的三角支撑对激光头进行固定，解决了现场施工环境复杂，激光头难以固定的问题，焊接修补质量可以达到实验室的精度；

3)采用固定激光头的工装，带有二级铰链和三个支腿，能够在飞机蒙皮上的任何曲面上固定，用简单的工装解决一直悬而未决的难题；

4)在现场施工时，盲孔采用手电钻机或数控钻床等设备加工，盲孔尺寸可根据铣刀型号自由选择，具有操作简单、加工效率高、灵活性好、成本低等特点，盲孔底部采用圆孤过渡方式，可有效避免激光修复完成后在过渡处产生气孔、夹杂、未熔合等缺陷；

5)激光填丝焊的工艺参数窗口较窄，采用经过优化后工艺参数区间可有效避免激光修复焊缝中出现裂纹、气孔、未熔合等缺陷，激光束采用离焦量为+5～+10mm的散焦光斑，可有效避免蒙皮背面被烧穿，采用氩气作为保护气，可有效防止激光修复过程中熔化焊丝和熔池金属被氧化；

本发明的铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法通过光纤传输激光，采用适用于现场飞机蒙皮不平曲面的工装固定激光头，可实现铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的远距离、高效率柔性修复。

附图说明

图1为采用本发明的铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法进行修复的原理示意图；

图2为采用本发明的方法加工的盲孔与点蚀损伤区域的相对位置示意图；

图3为采用本发明的方法完成的激光填丝焊缝的横截面示意图；

图4为实施例中盲孔修复前的宏观形貌；

图5为实施例中未去除余高前激光填丝焊缝的表面形貌；

图6为实施例中未去除余高前激光填丝焊缝的横截面形貌；

图7为实施例中去除余高后激光填丝焊缝的表面形貌。

其中，1.铝合金飞机蒙皮，2.点蚀损伤区域，3.盲孔，4.焊丝，5.激光束，6.保护气体，7.焊接修复方向，8.激光头固定架，8.1脚盘，8.2下铰链，8.3支腿，8.4上铰链，8.5固定平台，9.激光头，10.过渡圆弧，11.焊缝，12.余高。

具体实施方式

下面结构说明书附图对本发明的具体技术方案作进一步地描述。

如附图1-3所示，本发明一种铝合金飞机蒙皮点蚀损伤激光修复方法的具体步骤如下：

第一步：确定点蚀损伤在飞机蒙皮中的位置、形态和尺寸。采用目测或渗透探伤方法检测需修复点蚀损伤区域的位置，采用超声探伤方法检测该点蚀损伤区域在飞机蒙皮内部的形态和尺寸，确定点蚀损伤涉及区域的外接圆最大直径值d和最大深度值h，如图2所示。

第二步：确定盲孔的尺寸并在飞机蒙皮内加工盲孔。根据所测点蚀损伤的位置、形态和尺寸确定盲孔。如图2所示，盲孔的横截面为圆柱形，侧壁与底面交界处圆滑过渡，盲孔直径D为点蚀损伤涉及区域最大直径d的1.0～5.0倍，或D大于等于1mm，盲孔深度H为点蚀损伤涉及区域最大深度h的1.0～2.0倍；以点蚀损伤位置为中心，利用钻床或铣床在飞机蒙皮内加工出该盲孔，保证铝合金飞机蒙皮内点蚀损伤部位能够被完全去除。

第三步，对盲孔部位进行激光填丝焊修复，并去除焊缝余高部分。采用的工装为激光头固定架1，激光填丝焊机的激光安装在激光头固定架1上。所述的激光头固定架1包括三个脚盘81、三个下铰链82、三根支腿83、三个上铰链84和固定平台85，所述的固定平台85用于固定激光头，固定平台85的外缘处匀布所述的三个上铰链84，所述的三根支腿83的一端分别连接在三个上铰链84上，三根支腿83的另一端分别通过三个下铰链82连接所述的三个脚盘81，调整三个脚盘81的位置，使三个脚盘81在飞机蒙皮曲面上固定安装平稳。脚盘81可以是吸盘，也可以是两块互吸的磁铁，也可以通过胶水粘贴到飞机蒙皮上。

采用直径0.8～1.6mm的ER2319铝合金焊丝作为2A12铝合金的焊接材料，采用高纯Ar作为保护气体，焊接修复工艺参数为：激光功率3.0～3.5kW，焊接速度0.3～1.0m/min，送丝速度0.5～1.2m/min，离焦量+5～+10mm，送丝管倾角30°；激光修复时采用氩气作为保护气体，气流量为20L/min，导气管倾角为45。修复方式为旋转修复，焊丝顶端位于盲孔底面1/2～2/3处，旋转中心位于盲孔底面圆心处，旋转线速度与焊接速度数值相等，可有效保证焊接材料熔化后准确进入并完全填满盲孔内部，防止修复焊缝内部出现局部未熔合、气孔等缺陷。激光填丝焊修复工艺完成后，采用铣床、磨床等去除焊缝余高部分，如图3所示，使激光修复区域与周边蒙皮平齐。

对去掉余高后的激光填丝焊缝进行质量检测，对焊缝表面及其周围区域进行肉眼观察和渗透探伤，观察修复区域表面是否有裂纹、气孔、未熔合、咬边、变形等焊接缺陷；对焊缝区域内部及周围区域进行超声探伤，检查修复区域内部是否有裂纹、气孔、未熔合等焊接缺陷；若上述检测均未发现缺陷，说明修复质量符合要求，否则需要对损伤部位再次进行修复，直至未发现缺陷。

第四步：检验合格后对激光修复区域进行涂漆处理，恢复所修复区域的漆层和外观形貌。

实施例：

飞机蒙皮材料为2A12高强铝合金，厚度为3mm。为降低焊接热裂纹倾向，采用ER2319铝合金焊丝作为焊接材料，为提高焊接修复效率和焊丝指向性，焊丝直径选择1.6mm。按照以下流程和步骤对铝合金飞机蒙皮点蚀损伤进行激光修复：检测点蚀损伤位置和尺寸→设计并加工盲孔→激光填丝焊修复→修复后缺陷检测。具体步骤如下：

1)检测点蚀损伤位置和尺寸

首先，对具有点蚀损伤的铝合金飞机蒙皮表面进行渗透探伤，方法为：先打磨飞机蒙皮表面的漆层，露出点蚀损伤部位；再用清洗剂清洗点蚀损伤区域，并用渗透剂喷涂表面，保持湿润10分钟后，擦去表面多余渗透剂，并用清洗剂清洗，最后喷涂显像剂。渗透探伤后铝合金飞机蒙皮表面的点蚀损伤位置清晰可见，采用游标卡尺和光学放大镜测得点蚀损伤涉及区域的外接圆最大直径d＝2.58mm。

然后，对铝合金飞机蒙皮点蚀损伤内部进行超声探伤，方法为：将超声检测探头放在点蚀损伤附近蒙皮表面，向蒙皮内部发射并接受超声横波和纵波信号，通过分析超声检测信号测得点蚀损伤区域的最大深度h＝0.8mm。

最后，根据渗透探伤和超声探伤结果，在铝合金飞机蒙皮的表面标注出点蚀损伤的具体位置。

2)设计并加工盲孔

首先，根据点蚀损伤的位置和最大直径d和最大深度h设计盲孔，所设计盲孔形状和尺寸参数如下：盲孔为圆柱体凹坑，在坡口底面与侧壁交界处圆滑过渡，盲孔直径D＝3.0mm，盲孔深度H＝1.0mm，过渡圆弧半径为0.5mm。

然后，在飞机蒙皮点蚀损伤部位加工出所设计盲孔，如附图4所示，尽量使点蚀损伤区域位于盲孔的中心区域，以保证点蚀损伤部位能够被完全去除。在现场施工时，盲孔采用手电钻机或数控钻床等设备加工，盲孔尺寸可根据铣刀型号自由选择。

3)激光填丝焊修复

所用激光填丝焊系统由YLR-4000型IPG光纤激光器、YW52型Precitec激光焊接头、KD-4010型Fronius送丝机和小型变位机等设备组成，其中送丝嘴和保护气喷嘴均集成在激光焊接头上。激光填丝焊修复前，先将激光头固定架8放置在飞机蒙皮待修复区域附近，用胶水将激光头固定架8的三个脚盘粘贴到飞机蒙皮上；接着将激光焊接头安装在激光头固定架8的固定平台上，通过调整上、下铰链和支腿的相对位置，使激光束入射方向与飞机蒙皮表面法线成10°夹角；然后通过小型变位机控制激光焊接头的移动和旋转，使激光束和焊丝以一定轨迹和速度在盲孔内移动，采用旋转送丝方式将焊丝沿盲孔侧壁同步送入激光辐照区域，焊丝受激光加热熔化形成熔池并冷却凝固形成焊缝，采用将高纯氩气侧向同步送入熔池附近区域。激光填丝焊工艺参数为：激光功率2.5～3.5kW，焊接速度0.3～1.0m/min，送丝速度0.5～1.0m/min，离焦量0～+10mm，送丝管倾角30～60°；激光修复时采用氩气作为保护气体，气流量为15～20L/min，导气管倾角为45～60°。

激光填丝焊完成后，整个盲孔被焊丝填满，形成如附图5和附图6所示的焊缝，然后将焊缝余高部分打磨掉，使点蚀损伤修复部分与周边蒙皮平齐，如附图7所示。

4)修复后缺陷检测

激光填丝焊修复完成后，对修复区域表面进行肉眼观察和渗透探伤，对修复区域区域内部进行超声探伤，渗透探伤和超声探伤方法与步骤1相同，检测修复区域是否有裂纹、气孔、未熔合、咬边、变形等焊接缺陷存在。

若在激光修复区域内未发现上述缺陷，说明修复质量符合要求，否则需再次进行修复。最后，对于质量符合要求的蒙皮修复区域进行涂漆处理。涂漆前先对修复区域表面进行阳极氧化或阿洛丁(alodine)处理，使其表面生成均匀氧化膜，再依次喷涂底漆和面漆，恢复点蚀损伤部位的漆层和外观形貌。

虽然本发明已经以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (6)

1.一种铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法，其特征在于，采用激光填丝焊对铝合金飞机蒙皮点蚀损伤进行快速修复，激光填丝焊机的激光安装在激光头固定架(1)上，所述的激光头固定架(1)包括三个脚盘(81)、三个下铰链(82)、三根支腿(83)、三个上铰链(84)和固定平台(85)，所述的固定平台(85)用于固定激光头，固定平台(85)的外缘处匀布所述的三个上铰链(84)，所述的三根支腿(83)的一端分别连接在三个上铰链(84)上，三根支腿(83)的另一端分别通过三个下铰链(82)连接所述的三个脚盘(81)，三个脚盘(81)在飞机蒙皮上固定安装平稳，具体步骤如下：

1)确定铝合金飞机蒙皮上的点蚀损伤所在的位置，并测定该点蚀损伤涉及区域的最大外接圆直径和深度的最大值；

2)根据点蚀损伤涉及区域的最大外接圆直径和深度的最大值，确定需加工的盲孔的直径和深度后，加工出盲孔，该盲孔完全包括点蚀损伤涉及区域；

3)选择与铝合金飞机蒙皮基体相匹配的焊接材料，对盲孔进行激光填丝焊修复，使焊接材料完全填入盲孔，然后去除焊缝余高部分，保证激光修复区域与周边蒙皮平齐；

4)对激光修复区域进行涂漆处理，恢复所修复区域的漆层和外观形貌。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法，其特征在于，所述的步骤2)中的盲孔直径为点蚀损伤涉及区域的最大外接圆直径的1.1～5.0倍，或大于等于1mm，盲孔深度为点蚀损伤涉及区域的最大深度的1.1～2.0倍，盲孔侧壁与底面过渡处采用圆弧过渡。

3.根据权利要求2所述的一种铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法，其特征在于，所述的铝合金飞机蒙皮的基体材料为2A12铝合金，焊接材料采用ER2319铝合金焊丝，焊丝直径为0.8～1.6mm。

4.根据权利要求3所述的一种铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法，其特征在于，所述的步骤3)中的激光填丝焊的工艺参数是：激光功率3.0～3.5kW，焊接速度0.3～1.0m/min，送丝速度0.5～1.2m/min，离焦量+5～+10mm，送丝管倾角30°；激光修复时采用氩气作为保护气体，气流量为20L/min，导气管倾角为45°。

5.根据权利要求1所述的一种铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法，其特征在于，在步骤3)和步骤4)之间还具有对修复区域表面及内部进行渗透探伤和超声探伤检测的步骤，在检测后若未发现咬边、裂纹、气孔等缺陷，则转入步骤4)。

6.如权利要求1－5任一一项所述的一种铝合金飞机蒙皮点蚀损伤的激光修复方法，其特征在于，所述的步骤1)中确定铝合金飞机蒙皮上的点蚀损伤所在的位置方法是，采用目测、渗透探伤或超声探伤的方法检测点蚀损伤所在的位置。

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