CN111761223A - 一种用于5a90铝锂合金t型结构双激光束双侧同步焊接的焊前反变形装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接的焊前反变形装置及方法，步骤如下：焊前调整焊接工装平台各个支架的高度，保证平台表面水平，并将单桁条T型接头夹具放置其上，在单桁条T型接头夹具上表面放置两块薄铝片，蒙皮材料放置在薄铝片上方，并与夹具上表面呈φ＝1.7°的夹角以消除焊后变形；桁条垂直于蒙皮放置，并采用单桁条T型接头夹具夹持桁条，保证桁条的位置相对蒙皮固定；采用柔性夹具作用于蒙皮中部，防止焊后蒙皮中部上拱。本发明针对5A90铝锂合金T型结构所采用的双激光束双侧同步焊接焊后变形问题，通过焊前预设反变形角度获得了焊缝成形良好、无明显焊接变形的T型接头。

Description

一种用于5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接的焊 前反变形装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接的焊前反变形装置及方法，属于铝合金焊接变形控制技术领域。
背景技术
铝锂(Al-Li)合金由于密度低、弹性模量高、比强度高、抗应力腐蚀性良好等一系列优点，应用于航空航天产品中能够带来减轻飞机机体结构、降低生产制造和维修成本等综合效益，因此铝锂合金被认为是一种较为理想的航空航天轻质结构材料。
激光焊接技术是目前一种较为先进的连接技术，激光具有能量密度高、焊接速度快、热输入小、柔性好等特点。目前欧洲空中客车公司已成功地将激光焊接技术应用于飞机机身铝合金壁板的制造，用激光焊接技术代替传统的铆接技术，从而大大降低了机身整体结构的重量，制造成本也相应降低。
5A90铝锂合金T型结构所采用的双激光束双侧同步焊接，焊后会发生角变形。在双激光束双侧同步焊接过程中，T型接头两侧的激光束入射位置和焊丝填充部位是相互对称的，由于焊缝处金属在冷却过程中发生横向收缩，从而引起角接两侧的铝锂合金材料在平面内形成偏角，产生角变形。由于T型接头两侧关于桁条相互对称，且两侧的焊接条件是保持一致的，最终导致T型接头两侧角变形也是基本保持一致的。
针对铝锂合金双激光束双侧同步焊接过程中的角变形，常用的变形控制方法如刚性固定法、随焊冷却法、焊后矫正法等无法适应需求。而反变形法通过灵活选择预留角度可以减小至消除焊后角变形，同时大大降低焊后残余应力，因而是控制5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接焊后变形的最佳选择。
发明内容
1.一种用于5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接的焊前反变形装置及方法，其特征在于：包括薄铝片、单桁条专用工装夹具、柔性夹具，所述薄铝片和单桁条专用工装夹具位于焊接平台上，其中薄铝片位于焊件下方，并采用单桁条专用工装夹具对焊件进行夹持；所述柔性夹具一端固定在焊接平台上，另一端装夹在焊件表面上。
2.进一步的，激光焊接蒙皮-桁条材料均选用5A90铝锂合金，其中各化学成分的含量分别为：Al 92.46％、Mg 5.2％、Li 2.1％、Zr 0.11％、Fe 0.07％、Cu 0.03％、Si0.03％，所用焊接材料为ER4047焊丝，焊丝直径1.2mm，焊丝主要化学成分为铝元素，并且焊丝中的硅元素可抑制焊接热裂纹的形成。
3.进一步的，所述双激光束双侧同步焊接T型接头的蒙皮材料选用的是5A90铝锂合金，尺寸为405mm×60mm×2.5mm；另外，T型接头的桁条材料同样选用的是5A90铝锂合金，尺寸为405mm×35mm×2.5mm；选用碱洗液去除待焊件表面的氧化膜，焊前使用丙酮擦拭、清洗试样表面，去除残余污染物以确保试样表面清洁。
4.进一步的，所述5A90铝锂合金T型结构蒙皮材料放置在单桁条专用工装夹具上，蒙皮材料放置在薄铝片上方，并与夹具上表面呈一定的夹角，预留出反变形角度以消除焊后变形。其中，薄铝片的高度y由T型结构蒙皮材料的长度(a)、宽度(b)及厚度(c)所决定，从而构建函数关系式为y＝f(a，b，c)。
5.进一步的，所述单桁条专用工装夹具固定在焊接平台之上，其作用是根据焊件的尺寸，以及双激光束双侧同步焊接的工装要求，对蒙皮-桁条T型结构进行夹持，防止焊接时桁条发生偏移和变形，保证桁条和蒙皮表面结合紧密，避免因蒙皮桁条之间的间隙而造成未焊透，焊缝质量差等缺陷。
6.进一步的，所述柔性夹具装夹在焊件表面的4个不同位置，可有效防止焊接变形。
7.进一步的，针对5A90铝锂合金蒙皮-桁条T型结构，基于激光器均匀分光技术、双机器人同步运行以及离线编程技术，采用双激光束双侧同步焊接工艺，设计合适的激光功率，焊接速度等工艺参数，从而实现单桁条T型结构的焊接。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种用于5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接的反变形策略，使焊后的5A90铝锂合金T型结构焊缝成型良好，焊缝形态均匀对称，无明显裂纹、变形等缺陷，并且焊接过程中长直线焊缝稳定性良好。本发明工艺克服了单桁条双激光束双侧同步焊接5A90铝锂合金T型结构存在的焊后变形较大，焊缝成型效果不好等缺点，为提高铝锂合金T型结构焊接接头力学性能、改善激光焊接焊后变形奠定了基础。
附图说明
图1是5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接示意图；
图2是有无焊前反变形结果图；
图3是5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接装夹位置整体示意图；
图4是5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接装夹位置正视图；
图5是5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接局部放大图；
图中，1-焊接平台，2-夹具底板，3-柱套，4-活动柱，5-桁条压板，6-螺栓，7-5A90铝锂合金T型结构，8-立柱，9-柔性夹具，10-薄铝片。
具体实施方式
本发明提供一种用于5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接的焊前反变形装置及方法，为使本发明的目的、效果及技术方案更加鲜明，参照附图并对照实例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面通过具体的实例并结合附图对本发明进行详细描述。
双激光束双侧同步焊接T型接头的蒙皮材料选用的是5A90铝锂合金，尺寸为405mm× 60mm×2.5mm；另外，T型接头的桁条材料同样选用的是5A90铝锂合金，尺寸为405mm×35mm×2.5mm；焊丝选用直径1.2mm的ER4047Al-Si焊丝，其主要化学成分见表；焊接过程中的保护气体为99.9％Ar，保护气流量为15L/min；焊接设备采用采用德国TRUMPF公司生产的TruDisk-12003碟片激光器，其最大输出功率可达12000W。焊接过程的控制由KUKA KR30HA六轴焊接机器人来完成，其最大工作范围为2033mm，重复精度为±0.05mm；在温度为45～55℃环境下，将待焊件安放于不锈钢篮筐内，零件叠放时使用隔离物避免零件平面之间重叠或贴合，选用碱洗液(其中氢氧化钠20～35g/L，碳酸钠20～30g/L)处理待焊件 0.5～2min，以去除材料表面的氧化膜，焊前使用丙酮擦拭、清洗试样表面，去除残余污染物以确保试样表面清洁，具体的处理方法如下：丙酮除油、去除氧化膜处理、清水冲洗、中和光化(浸入30％硝酸溶液3min)、清水冲洗、烘干(100～120℃)；之后进行焊接轨迹示教与参数的设置，具体焊接工艺参数如下：
Figure BSA0000181325780000031
进一步的，所述5A90铝锂合金T型结构蒙皮材料放置在单桁条专用工装夹具上，蒙皮材料放置在薄铝片上方，根据薄铝片的高度与T型结构蒙皮材料的实际长度、宽度及厚度的函数关系，推算出本次焊接试验薄铝片的高度为0.3mm，与单桁条工装夹具上表面呈φ＝1.7°的夹角，预留出反变形角度。
进一步的，所述单桁条专用工装夹具固定在焊接平台之上，其作用是根据焊件的尺寸，以及双激光束双侧同步焊接的工装要求，对蒙皮-桁条T型结构进行夹持，防止焊接时桁条发生偏移和变形，保证桁条和蒙皮表面结合紧密，避免因蒙皮桁条之间的间隙而造成未焊透，焊缝质量差等缺陷。
进一步的，所述柔性夹具装夹在焊件表面的4个不同位置，精确控制焊件位置，可有效防止焊接变形。
进一步的，针对5A90铝锂合金蒙皮-桁条T型结构，基于激光器均匀分光技术、双机器人同步运行以及离线编程技术，采用双激光束双侧同步焊接工艺，实现单桁条T型结构的焊接。
焊后的变形图如图3所示，可以发现焊缝表面成形稳定，未出现开裂、间隙等缺陷，且当预设反变形角φ＝1.7°时，变形角度仅为0.15°，有效控制了焊后变形。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接的焊前反变形装置及方法，其特征在于：包括薄铝片、单桁条专用工装夹具、柔性夹具。所述薄铝片和单桁条专用工装夹具位于焊接平台上，其中薄铝片位于焊件下方，并采用单桁条专用工装夹具对焊件进行夹持；所述柔性夹具一端固定在焊接平台上，另一端装夹在焊件表面上。
2.根据权利要求1所述的一种用于5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接的焊前反变形装置及方法，其特征在于：所述双激光束双侧同步焊接T型接头的蒙皮材料选用的是5A90铝锂合金，尺寸为405mm×60mm×2.5mm；另外，T型接头的桁条材料同样选用的是5A90铝锂合金，尺寸为405mm×35mm×2.5mm；选用碱洗液去除待焊件表面的氧化膜，焊前使用丙酮擦拭、清洗试样表面，去除残余污染物以确保试样表面清洁。
3.根据权利要求1所述的一种用于5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接的焊前反变形装置及方法，其特征在于：所述5A90铝锂合金T型结构蒙皮材料放置在单桁条专用工装夹具上，蒙皮材料放置在薄铝片上方，并与夹具上表面呈一定的夹角，预留出反变形角度以消除焊后变形。其中，薄铝片的高度y由T型结构蒙皮材料的长度(a)、宽度(b)及厚度(c)所决定，从而构建函数关系式为y＝f(a，b，c)。
4.根据权利要求1所述的一种用于5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接的焊前反变形装置及方法，其特征在于：所述单桁条专用工装夹具固定在焊接平台之上，其作用是根据焊件的尺寸，以及双激光束双侧同步焊接的工装要求，对蒙皮-桁条T型结构进行夹持，防止焊接时桁条发生偏移和变形，保证桁条和蒙皮表面结合紧密，避免因蒙皮桁条之间的间隙而造成未焊透，焊缝质量差等缺陷。
5.根据权利要求1所述的一种用用于5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接的焊前反变形方法，其特征在于：所述柔性夹具装夹在焊件表面的4个不同位置，可有效防止焊接变形。
6.根据权利要求1所述的一种用于5A90铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接的焊前反变形装置及方法，其特征在于：针对5A90铝锂合金蒙皮-桁条T型结构，基于激光器均匀分光技术、双机器人同步运行以及离线编程技术，采用双激光束双侧同步焊接工艺，设计合适的激光功率，焊接速度等工艺参数，从而实现单桁条T型结构的焊接。
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