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航空航天领域激光焊接机器人应用

国际金属加工网 2017年06月15日

激光焊接技术仍然是目前航空航天领域铝合金焊接的最有效方法之一。随着不断地试验和研究,激光焊接逐渐展现出其良好的工艺性能及焊后力学性能。

采用焊接整体机身壁板代替传统的铆接机身壁板可以极大地减轻构件的重量、降低制造成本、提高生产效率,因而成为大型民用飞机制造技术的发展趋势之一。由于双激光束焊接针对蒙皮长桁结构减重效果更为明显,同时对于复杂构件具有较好的空间可达性,因而受到广泛的关注。目前,空中客车等航空制造企业在其多种机型上采用了激光焊接的整体机身壁板制造技术。然而,基于焊接的整体机身壁板制造技术是当代民机制造技术中的难点之一。目前我国大型客机设计方案中的机身壁板新型铝合金焊接技术,其工艺性有自身的特点。

机器人因其重复精度高、可靠性好、适用性强等优点应用于各行各业,而目前航空航天产品制造过程仍旧是劳动密集、工序繁复、工况恶劣、辅以大量工装夹具并以手工制造为主。自动化生产能力不足,已成为制约提高武器装备可靠性和生产能力的瓶颈。在我国大力发展航空航天的时代背景下,航空航天制造企业应用工业机器人进行自动化生产,对企业生产模式转型升级、装备先进制造能力提升具有重要意义,而焊接正式航空航天产品制造过程中重要环节,激光焊接机器人在此处扮演的角色就极其重要了。

机器人激光焊接技术在制造业市场广阔

世界各主要工业发达国家都非常重视发挥焊接研究机构的作用,基本上都形成大学研究所企业的三级研究开发体系。各主要工业发达国家都成立了焊接研究所,如英国的焊接研究所(TWI)、美国的爱迪生焊接研究所(EWI)、法国焊接研究所(FWI)、日本的连接与溶接研究所(JRWI)、乌克兰的巴顿电焊研究所(PEWI)、德国亚琛大学的焊接研究所(ISF)和德国焊接学会(DVS)下属的分布在全国各地的焊接研究与培训中心(SLV)等,而韩国的焊接研究中心是设在韩国现代科学技术研究院(KAIST)的韩国工业生产技术研究院KITCH之内。它们都属于国家级的焊接研究机构。

机器人焊接技术未来的研究方向主要有:

1)焊接过程控制系统的智能化。电子技术、计算机微电子和自动化技术的发展,推动了焊接自动化技术的发展。特别是数控技术、柔性制造技术和信息处理技术等单元技术的引入,促进了焊接自动化技术革命性的发展;

2)开展最佳控制方法方面的研究,包括线性和各种非线性控制。最具代表性的是焊接过程的模糊控制、神经网络控制,以及专家系统的研究;

3)焊接柔性化技术。将各种光、机、电技术与焊接技术有机结合,以实现焊接的精确化和柔性化。用微电子技术改造传统焊接工艺装备,是提高焊接自动化水平淡的根本途径。将数控技术配以各类焊接机械设备,以提高其柔性化水平;

4)焊接机器人与专家系统的结合,实现自动路径规划、自动校正轨迹、自动控制熔深等功能;

5)提高焊接电源的可靠性、质量稳定性和控制,以及优良的动感性。开发研制具有调节电弧运动、送丝和焊枪姿态,能探测焊缝坡开头、温度场、熔池状态、熔透情况,适时提供焊接规范参数的高性能焊机,并应积极开发焊接过程的计算机模拟技术,使焊接技术由“技艺”向“科学”演变。

铝合金激光焊接性概述

自1960年第一台激光焊接机诞生以来,激光焊接技术发展迅速。1965年研制出用于厚膜组件焊接的红宝石激光焊接机。1974年世界上第一台五轴激光加工机——龙门式激光焊接机在福特汽车公司建造。稍后,美国福特汽车公司研制出了激光焊接生产线。时至今日,可用于焊接的激光发生器已经由第一代的CO2气体激光器发展到YAG固体激光器,以及最新的光纤激光器等种类。激光焊接的最大优点是其能量集中,形成焊接接头深宽比大、焊接变形较小。随着激光光束质量的不断改进,激光焊接现已成为一种成熟的焊接方法,广泛地应用于国民经济和国防建设的不同领域。

铝合金密度低、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能高,具有较高的比强度、比刚度,是飞机结构的理想材料。近年来,尽管在航空航天业中钛合金、复合材料等新材料受到广泛关注,但由于铝的资源丰富、性能优良、加工容易、成本低廉等一系列优点,加之传统铝合金新的热处理状态不断开发,以及新型铝合金(如铝锂合金)的出现,可以预见,在今后相当长一段时间内,铝合金在飞机结构中的应用仍具有不可取代的优势。因此,铝合金焊接技术就成为一个重要的技术关键。采用激光焊接技术连接铝合金航空构件,具有焊缝深宽比大、焊接热影响区小、焊接变形较小、焊接速度高等诸多优点。但是,铝合金激光焊接存在一些技术难点。

大型客机机身壁板激光焊接方案细述

大型客机机身壁板蒙皮长桁激光焊接构件中,单道焊缝长度可能达4m以上,同时由于蒙皮和长桁都很薄,因此能否有效保持焊接过程的稳定性是焊接生产取得成功的关键之一。在该方案中,在蒙皮内侧采用双激光束双侧同时焊接。为了保持蒙皮外侧的完整性,焊接过程不能穿透蒙皮,T型结构也不需要过于强调深宽比,形成连续、无缺陷、高性能的焊接接头是关键。因此,要保持激光深熔焊接过程小孔和熔池的稳定性。

主要从两方面考虑:一方面,从焊接工装和设备保障的角度要保持高精度的装夹和激光的聚焦、对中,保持机器人(或数控机床)控制焊接工作头运动过程中有较高的重复定位精度和轨迹定位精度,必要的时候采用适当的跟踪系统;另一方面,由于液态铝合金流动性良好、表面张力低、熔池稳定性差,同时,铝元素的电离能低,焊接过程中光致等离子体易于过热和扩展,也导致焊接稳定性差,因此应该从焊接冶金的角度开展研究。

(1)铝合金对激光束具有极高的表面初始反射率高(对CO2激光超过90%,对YAG激光接近80%),这就要求在熔池形成之前需要较大的激光功率;

(2)由于冶金和工艺等多重因素的影响,铝合金激光焊接过程较容易产生气孔;

(3)铝合金属于典型的共晶合金,在激光焊接快速凝固条件下更容易产生热裂纹;

(4)激光焊接间隙适应性小,对焊件的装配精度要求较高;

(5)铝合金线膨胀系数大,易产生焊接变形;

(6)铝合金的导热率较大,冷却时间短,熔池冶金反应不充分,容易导致缺陷;

(7)液态铝合金流动性良好,表面张力低,熔池稳定性差。

激光焊接技术是航空航天领域铝合金焊接最有效方法之一

激光焊接技术仍然是目前航空航天领域铝合金焊接的最有效方法之一。随着不断地试验和研究,激光焊接逐渐展现出其良好的工艺性能及焊后力学性能。与传统的TIG焊、MIG焊相比,激光焊接具有焊接质量高、精度高、速度快等特点,是当前发展最快、研究最多的方法之一。近年来,国际上众多科研人员针对铝合金激光焊接开展了大量研究,逐步形成了较为可靠的铝合金激光焊接技术。

激光焊接机身壁板对比传统的铆接机身壁板而言,具有明显的减重效果,能改善连接部位的性能,同时具有降低制造成本、提高生产效率等多方面的优点。但是,激光焊接造成的应力集中和变形问题,却是铆接过程所不存在的。大型客机机身壁板激光焊接工艺属于大尺寸、小厚度、多焊缝的复杂焊接工艺,其变形过程甚为复杂。


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雷尼绍

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