鋁合金激光焊接性概述
自1960年第一臺(tái)激光焊接機(jī)誕生以來(lái),激光焊接技術(shù)發(fā)展迅速[3]。1965年研制出用于厚膜組件焊接的紅寶石激光焊接機(jī)。1974年世界上第一臺(tái)五軸激光加工機(jī)——龍門(mén)式激光焊接機(jī)在福特汽車公司建造。稍后,美國(guó)福特汽車公司研制出了激光焊接生產(chǎn)線。時(shí)至今日,可用于焊接的激光發(fā)生器已經(jīng)由第一代的CO2氣體激光器發(fā)展到Y(jié)AG固體激光器,以及最新的光纖激光器等種類。激光焊接的最大優(yōu)點(diǎn)是其能量集中,形成焊接接頭深寬比大、焊接變形較小。隨著激光光束質(zhì)量的不斷改進(jìn),激光焊接現(xiàn)已成為一種成熟的焊接方法,廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的不同領(lǐng)域。
鋁合金密度低、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能高,具有較高的比強(qiáng)度、比剛度,是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的理想材料。近年來(lái),盡管在航空航天業(yè)中鈦合金、復(fù)合材料等新材料受到廣泛關(guān)注,但由于鋁的資源豐富、性能優(yōu)良、加工容易、成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn),加之傳統(tǒng)鋁合金新的熱處理狀態(tài)不斷開(kāi)發(fā),以及新型鋁合金(如鋁鋰合金)的出現(xiàn),可以預(yù)見(jiàn),在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),鋁合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用仍具有不可取代的優(yōu)勢(shì)[4]。因此,鋁合金焊接技術(shù)就成為一個(gè)重要的技術(shù)關(guān)鍵。采用激光焊接技術(shù)連接鋁合金航空構(gòu)件,具有焊縫深寬比大、焊接熱影響區(qū)小、焊接變形較小、焊接速度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是,鋁合金激光焊接存在一些技術(shù)難點(diǎn)。
(1)鋁合金對(duì)激光束具有極高的表面初始反射率高(對(duì)CO2激光超過(guò)90%,對(duì)YAG激光接近80%),這就要求在熔池形成之前需要較大的激光功率[3];
(2)由于冶金和工藝等多重因素的影響,鋁合金激光焊接過(guò)程較容易產(chǎn)生氣孔;
(3)鋁合金屬于典型的共晶合金,在激光焊接快速凝固條件下更容易產(chǎn)生熱裂紋;
(4)激光焊接間隙適應(yīng)性小,對(duì)焊件的裝配精度要求較高;
(5)鋁合金線膨脹系數(shù)大,易產(chǎn)生焊接變形;
(6)鋁合金的導(dǎo)熱率較大,冷卻時(shí)間短,熔池冶金反應(yīng)不充分,容易導(dǎo)致缺陷;
(7)液態(tài)鋁合金流動(dòng)性良好,表面張力低,熔池穩(wěn)定性差。
盡管有上述諸多難點(diǎn),但激光焊接技術(shù)仍然是目前航空航天領(lǐng)域鋁合金焊接的最有效方法之一。隨著不斷地試驗(yàn)和研究,激光焊接逐漸展現(xiàn)出其良好的工藝性能及焊后力學(xué)性能。與傳統(tǒng)的TIG焊、MIG焊相比,激光焊接具有焊接質(zhì)量高、精度高、速度快等特點(diǎn),是當(dāng)前發(fā)展最快、研究最多的方法之一。近年來(lái),國(guó)際上眾多科研人員針對(duì)鋁合金激光焊接開(kāi)展了大量研究,逐步形成了較為可靠的鋁合金激光焊接技術(shù)。
大型客機(jī)機(jī)身壁板激光焊接方案
我國(guó)大型客機(jī)的設(shè)計(jì)方案中,初步考慮在前機(jī)身、中后機(jī)身的部分下壁板制造工藝中采用激光焊接工藝。前機(jī)身焊接壁板的位置如圖1所示。以該壁板為例,單塊壁板尺寸為4276mm×1350mm,壁板厚度為1.8mm,單塊壁板上桁條多達(dá)9根,如圖2所示。因此,屬于典型的大尺寸、小厚度、多焊縫的復(fù)雜焊接工藝。
在上述機(jī)身蒙皮桁條焊接方案中,主要采用雙激光束雙側(cè)同步焊接工藝。飛機(jī)壁板蒙皮桁條T型連接結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)同步焊接是一種全新的焊接工藝。由于T型結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)同步焊接工藝避免了傳統(tǒng)的T型結(jié)構(gòu)單面焊接雙面成型工藝對(duì)底板(蒙皮)完整性的破壞,同時(shí)該工藝相對(duì)傳統(tǒng)的鉚接工藝而言能極大地減輕構(gòu)件的重量,因而在航空制造業(yè)中受到青睞。然而,由于壁板和桁條厚度都只有1.8mm,而單塊壁板在長(zhǎng)度和寬度方向都具有較大尺寸,因此要在此構(gòu)件中形成多條高強(qiáng)度的有效焊縫,同時(shí)還要控制焊接欠缺、抑制焊接變形和應(yīng)力集中,焊接構(gòu)件要滿足設(shè)計(jì)單位所提出的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及損傷容限等方面的指標(biāo),此項(xiàng)工藝顯然具有一定難度。更為重要的是,民用航空制造業(yè)具有比航天、軍用航空等制造領(lǐng)域更為嚴(yán)格的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,一項(xiàng)新的工藝必須通過(guò)適航當(dāng)局的審批。
隨著我國(guó)大型客機(jī)項(xiàng)目的啟動(dòng),機(jī)身壁板蒙皮桁條T型連接結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)同步焊接技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)展開(kāi)研究,并已經(jīng)取得了初步成果。但是,目前國(guó)內(nèi)尚未掌握機(jī)身壁板蒙皮長(zhǎng)桁T型結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)焊接的成熟工藝,目前尚難以生產(chǎn)出滿足要求的大型客機(jī)機(jī)身整體焊接壁板。
大型客機(jī)機(jī)身壁板激光焊接工藝性分析
1 焊接工藝穩(wěn)定性
大型客機(jī)機(jī)身壁板蒙皮長(zhǎng)桁激光焊接構(gòu)件中(圖3),單道焊縫長(zhǎng)度可能達(dá)4m以上,同時(shí)由于蒙皮和長(zhǎng)桁都很薄,因此能否有效保持焊接過(guò)程的穩(wěn)定性是焊接生產(chǎn)取得成功的關(guān)鍵之一。在該方案中,在蒙皮內(nèi)側(cè)采用雙激光束雙側(cè)同時(shí)焊接。為了保持蒙皮外側(cè)的完整性,焊接過(guò)程不能穿透蒙皮,T型結(jié)構(gòu)也不需要過(guò)于強(qiáng)調(diào)深寬比,形成連續(xù)、無(wú)缺陷、高性能的焊接接頭是關(guān)鍵。因此,要保持激光深熔焊接過(guò)程小孔和熔池的穩(wěn)定性。主要從兩方面考慮:一方面,從焊接工裝和設(shè)備保障的角度要保持高精度的裝夾和激光的聚焦、對(duì)中,保持機(jī)器人(或數(shù)控機(jī)床)控制焊接工作頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有較高的重復(fù)定位精度和軌跡定位精度,必要的時(shí)候采用適當(dāng)?shù)母櫹到y(tǒng);另一方面,由于液態(tài)鋁合金流動(dòng)性良好、表面張力低、熔池穩(wěn)定性差,同時(shí),鋁元素的電離能低,焊接過(guò)程中光致等離子體易于過(guò)熱和擴(kuò)展,也導(dǎo)致焊接穩(wěn)定性差,因此應(yīng)該從焊接冶金的角度開(kāi)展研究。
2 焊接缺陷控制
焊接過(guò)程中形成的缺陷是直接影響焊接質(zhì)量的最重要因素,對(duì)于大型客機(jī)壁板鋁合金激光焊接工藝而言最可能的缺陷是氣孔和裂紋。
關(guān)于鋁合金激光焊接氣孔(圖4)的形成機(jī)理,目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的完整理論,一般認(rèn)為有冶金和工藝兩方面的因素。目前主要有以下幾種看法:
(1)在熔池冷卻過(guò)程中氫的溶解度急劇下降形成氫氣孔;
(2)低溶點(diǎn)高蒸氣壓合金元素蒸發(fā)導(dǎo)致氣孔;
(3)熔池金屬波動(dòng)、溶池金屬紊流甚至小孔不穩(wěn)定導(dǎo)致氣孔生成;
(4)熔池流動(dòng)性較差也是導(dǎo)致氣孔形成的因素。
總之,要針對(duì)具體的材料、具體的焊接結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究,尋找氣孔的形成機(jī)理,從而研究控制氣孔的方法。根據(jù)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展的研究,鋁合金激光焊接的氣孔是一個(gè)值得重視的問(wèn)題,但一般可以通過(guò)冶金分析和工藝優(yōu)化來(lái)解決。
鋁合金熔化焊接過(guò)程對(duì)熱裂紋一般都比較敏感,其中熱裂紋又主要是結(jié)晶裂紋。研究表明,在焊接熔池結(jié)晶后期,晶界低熔點(diǎn)共晶在承受拉應(yīng)力的條件下開(kāi)裂是結(jié)晶裂紋出現(xiàn)的主要途徑。由于鋁合金屬于典型的共晶合金,因此較易出現(xiàn)結(jié)晶裂紋。對(duì)于鋁合金激光焊接,焊接速度較高,由于過(guò)快的冷卻速度導(dǎo)致高的熱應(yīng)力、高的應(yīng)力梯度和裂紋的再擴(kuò)展,也是促進(jìn)結(jié)晶裂紋形成的因素。防止熱裂紋的主要措施是在激光焊接時(shí)采用填充材料,其機(jī)理是:使熔池合金成分盡量避開(kāi)最大凝固溫度區(qū)間、通過(guò)加入形核劑以細(xì)化晶粒、增加熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)性等。另外,也可以從優(yōu)化焊接工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,如采用小的熱輸入以減小過(guò)熱區(qū),采用相對(duì)較小的焊接速度以減小應(yīng)變速率。
此外,焊接缺陷控制與工藝穩(wěn)定性有密切聯(lián)系。如焊接過(guò)程的不穩(wěn)定造成焊接熔池劇烈震蕩,容易出現(xiàn)咬邊、焊縫成形不連續(xù)等缺陷,嚴(yán)重時(shí)小孔突然閉合而在焊縫中產(chǎn)生直徑較大的氣孔甚至孔洞。對(duì)于大型客機(jī)機(jī)身壁板蒙皮長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)激光焊接工藝,雙激光束的光束質(zhì)量是決定焊接過(guò)程穩(wěn)定性和缺陷形成的重要因素之一。不僅要求2束激光都要具有較高的光束質(zhì)量,同時(shí)要求2束激光要嚴(yán)格地對(duì)稱。為此,蒙皮長(zhǎng)桁T型結(jié)構(gòu)兩側(cè)的兩束激光要來(lái)自于2個(gè)完全相同的激光發(fā)生器,或者是由同一個(gè)激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光分光為2束相同的激光。
3 焊接缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
焊接過(guò)程不可避免會(huì)產(chǎn)生缺陷,飛機(jī)構(gòu)件產(chǎn)品也不可能是零缺陷要求。只要滿足根據(jù)設(shè)計(jì)要求所制定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展試驗(yàn)和生產(chǎn),焊接構(gòu)件能夠承擔(dān)使用壽命內(nèi)的載荷條件。由于民用航空產(chǎn)品的特殊性,飛機(jī)焊接構(gòu)件產(chǎn)品不可能是抽樣檢測(cè)、采用破壞性的檢測(cè)工藝來(lái)檢測(cè)焊接缺陷,通常飛機(jī)焊接構(gòu)件需要無(wú)損檢測(cè)。由于激光焊接在航空領(lǐng)域的應(yīng)用歷史較短,目前在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中還沒(méi)有專門(mén)針對(duì)激光焊接無(wú)損檢測(cè)及缺陷評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。因此,開(kāi)展焊接缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究,并制定出合理的工藝規(guī)范,是大型客機(jī)激光焊接工藝研究的重要內(nèi)容。
對(duì)于大型客機(jī)蒙皮長(zhǎng)桁激光焊接結(jié)構(gòu),由于蒙皮尺寸大、厚度薄,同時(shí)焊接結(jié)構(gòu)特殊,采用傳統(tǒng)的超聲波、X射線等技術(shù),都各有其局限性。另外,傳統(tǒng)的X射線檢測(cè)膠片底片的評(píng)定,過(guò)多依賴工人的技術(shù)水平和熟練程度,新型的數(shù)字底片的自動(dòng)識(shí)別、評(píng)定技術(shù)目前也不夠成熟,無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可循。為此,需要廣泛考察國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn),研究適合于大型客機(jī)機(jī)身壁板焊接構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備,并制定合理的焊接欠缺評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。
4 焊接變形控制技術(shù)
激光焊接機(jī)身壁板對(duì)比傳統(tǒng)的鉚接機(jī)身壁板而言,具有明顯的減重效果,能改善連接部位的性能,同時(shí)具有降低制造成本、提高生產(chǎn)效率等多方面的優(yōu)點(diǎn)。但是,激光焊接造成的應(yīng)力集中和變形問(wèn)題,卻是鉚接過(guò)程所不存在的。大型客機(jī)機(jī)身壁板激光焊接工藝屬于大尺寸、小厚度、多焊縫的復(fù)雜焊接工藝,其變形過(guò)程甚為復(fù)雜。圖5為壁板典型件焊接變形模擬結(jié)果,是針對(duì)大型客機(jī)壁板典型件(3根桁條)開(kāi)展熱力耦合分析的結(jié)果。如圖5所示,即使采用較優(yōu)的中心對(duì)稱焊接技術(shù)(焊接方向相同,順序?yàn)橄戎虚g后兩邊),仍然具有較大的變形量。試驗(yàn)研究也已表明,對(duì)于多桁條構(gòu)件,其變形機(jī)理復(fù)雜。
激光焊接變形控制技術(shù)研究,可采用有限元仿真與變形控制和矯形技術(shù)相結(jié)合的方法。首先,可以運(yùn)用有限元仿真技術(shù)預(yù)測(cè)不同工藝條件下的焊接應(yīng)力和變形,研究大型客機(jī)壁板構(gòu)件焊接變形規(guī)律,從而優(yōu)化出理想的焊接工藝參數(shù)。然后,開(kāi)展焊前、焊接過(guò)程、焊后的變形控制和矯形技術(shù)研究,如射流沖擊熱沉處理、隨焊碾壓技術(shù)以及噴丸矯形等技術(shù),最終形成大型客機(jī)機(jī)身壁板激光焊接變形控制技術(shù)體系。
結(jié)束語(yǔ)
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,大型客機(jī)生產(chǎn)中的焊接技術(shù),務(wù)必要符合航空制造業(yè)自身的特點(diǎn),符合當(dāng)代制造業(yè)數(shù)字化、信息化、智能化、柔性化等發(fā)展方向。要開(kāi)展焊接過(guò)程數(shù)字建模、有限元模擬仿真的研究,針對(duì)大型客機(jī)焊接零部件開(kāi)發(fā)焊接專家系統(tǒng),更要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的焊接信息共享和過(guò)程控制。
大型客機(jī)激光焊接工藝研究是集合了焊接冶金學(xué)、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接過(guò)程控制、焊接缺陷無(wú)損檢測(cè)、焊接模擬仿真甚至數(shù)字化焊接的技術(shù)體系。由于民機(jī)產(chǎn)品的特殊性,大型客機(jī)激光焊接技術(shù)體系中尚有許多技術(shù)難點(diǎn)有待攻克。在激光焊接突飛猛進(jìn)的今天,鑒于國(guó)外先進(jìn)航空制造企業(yè)在大型客機(jī)上的成功應(yīng)用的先例,基于我國(guó)廣大焊接科研工作者長(zhǎng)期以來(lái)在鋁合金激光焊接領(lǐng)域的成果,如中國(guó)商飛及相關(guān)參與單位在該項(xiàng)目上已經(jīng)取得的豐碩成果,相信我國(guó)大型客機(jī)生產(chǎn)中激光焊接機(jī)身壁板制造技術(shù)不久即將實(shí)現(xiàn)。
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作者:占小紅 歐文敏 魏艷紅
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