焊接整體壁板激光沖擊校形方法
【專利摘要】本發明涉及焊接整體壁板激光沖擊校形方法。該方法包括如下步驟：S1)測量變形和殘余應力；S2)利用計算機確定校形量及校形路徑；S3)利用計算機確定激光沖擊校形強度；S4)利用激光沖擊設備按計算機確定好的激光沖擊校形強度和校形路徑對焊接整體壁板進行激光沖擊校形；S5)對焊接整體壁板進行校形檢驗，如果貼膜間隙超過預定間隙，則依次重復步驟S1、S2、S3、S4，逐步逼近，直至貼膜間隙小于等于預定間隙。相比傳統的機械校形方法，本發明校形方法具有控制精度高、工作效率高、適用范圍廣等優點，符合航空零件高要求的標準。
【專利說明】焊接整體壁板激光沖擊校形方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及航空制造【技術領域】，特別涉及對焊接整體壁板變形進行激光沖擊校形和強化的方法。
【背景技術】
[0002]傳統飛機的壁板結構主要有整體加工壁板和鉚接壁板。對于整體加工壁板而言，其制造方法的材料利用率低，制造成本非常高，且效率極低。而鉚接壁板則會使得飛機的整體重量增加，同時剛性和強度也遠遠不如整體加工壁板。
[0003]之后，在20世紀90年代，空客公司率先開展機身壁板激光焊接技術研究，并成功應用于A318、A340和A380等型號飛機機身壁板制造中，研究表明A380機身壁板采用激光焊接技術代替鉚接工藝，減輕了 10%的結構重量，降低了 15%成本。
[0004]焊接機身壁板主要由蒙皮和多根桁條組成，蒙皮和長桁焊接為T型結構。盡管在焊接過程中可以通過工裝夾具定位、工藝參數優化、焊接路徑優化等方式對焊接變形進行控制，但是對于機身壁板大型構件而言，局部區域不可避免會出現角變形、撓曲變形等焊接變形問題，這些變形會影響后期的裝配及安全使用，因此焊接結束后必須進行變形校形處理。傳統的焊接變形校形方法有滾彎、壓彎、錘擊、熱校形以及機械噴丸校形方法。上述方法(機械噴丸除外)受操作工人經驗的影響較大，很難實現精確校形，特別是針對單曲率、雙曲率壁板這樣的復雜構件，由于其變形更為復雜，此類校形方法很難滿足要求；而機械噴丸雖然能夠實現單曲、雙曲壁板的成形，但其實現局部變形區域的精確校形控制較為困難；并且由于彈丸產生的殘余應力場幅度和深度都有限，難以完成更大曲率的校形控制。

【發明內容】

[0005]本發明的一個目的是針對焊接整體壁板激光焊后變形復雜、變形程度大的情況，提供一種既能夠滿足變形區域精確校形又可實現大曲率變形的校形方法。
[0006]本發明的另一個目的是通過對焊縫區域進行強化處理，改善焊接結構因焊縫區域熱脹冷縮在焊縫表面產生殘余拉應力從而導致的在承受拉應力載荷時較低的疲勞強度及損傷容限性能，提供一種既可以控制焊接壁板變形又可以提高焊縫區域強度的方法。
[0007]為此，根據本發明的一個方面，提供一種焊接整體壁板激光沖擊校形方法，其中，該方法包括如下步驟:
[0008]SI)變形和殘余應力測量:對焊接整體壁板的三維變形及焊縫區域的殘余應力進行測量；
[0009]S2)校形量及校形路徑確定:基于獲得的三維變形數據及殘余應力數據，利用計算機及其內置的有限元分析軟件進行焊接整體壁板的仿真模擬，并與焊接整體壁板的最終形狀進行對比，來確定需校形部位的變形量及校形路徑；
[0010]S3)激光沖擊校形強度確定:計算機根據需校形部位的變形量在內置的激光沖擊校形強度與變形量之間的對應關系數據庫中查找和確定需校形部位的沖擊校形強度；[0011]S4)激光沖擊校形:利用激光沖擊校形設備，按計算機確定好的沖擊強度和校形路徑對焊接整體壁板的需校形部位進行激光沖擊校形處理；
[0012]S5)校形檢驗:將校形后的焊接整體壁板放置在檢驗模胎上，檢測其貼膜間隙，如果該貼膜間隙超過預定間隙，則依次重復步驟S1、S2、S3、S4，逐步逼近，直至貼膜間隙小于等于預定間隙。
[0013]優選地，在上述步驟S3之前還包括在計算機中建立激光沖擊校形強度與變形量之間的對應關系數據庫的步驟。
[0014]進一步優選地，上述對應關系數據通過試驗獲得。
[0015]優選地，上述方法還包括對校形完成后的焊接整體壁板的焊縫區域進行激光沖擊強化的步驟。
[0016]進一步優選地，上述激光沖擊強化的步驟包括:
[0017]a)根據焊縫區域的疲勞壽命要求，確定激光沖擊強化的強度值；
[0018]b)利用激光沖擊強化設備對焊接整體壁板的蒙皮和長桁T型焊接結構兩側的焊縫區域進行全覆蓋率的同步激光沖擊強化。
[0019]優選地，上述激光焊接整體壁板為單曲率或雙曲率焊接整體壁板。
[0020]本發明具有的優點和有益效果如下:
[0021]I)相比傳統的滾彎、壓彎、錘擊等機械校形方法，本發明的校形方法具有控制精度高、工作效率高、適用范圍廣等優點，符合航空零件高要求的標準；
[0022]2)本發明的校形方法，相對于傳統的機械噴丸，變形區域的校形控制更為精確，且可校形的變形程度更大，同時也可避免傳統機械噴丸的二次散射和彈丸回收的問題；
[0023]3)蒙皮長桁連接處焊縫區域的激光沖擊強化可以消除焊接殘余拉應力，在焊縫表面形成一定厚度的殘余壓應力層，提高焊縫的疲勞強度及應力腐蝕性能。
[0024]4)蒙皮長桁連接處焊縫區域兩側同步激光沖擊強化，不僅效率高，且可以有效防止兩側依次激光沖擊導致的桁條變形。
[0025]通過參考下面所描述的實施方式，本發明的這些方面和其他方面將會得到清晰地闡述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]本發明的結構和操作方式以及進一步的目的和優點將通過下面結合附圖的描述得到更好地理解，其中，相同的參考標記標識相同的元件:
[0027]圖1為一種雙曲率焊接整體壁板變形前的示意圖；
[0028]圖2是圖1中雙曲率焊接整體壁板變形后的示意圖，其中虛線表示雙曲率焊接整體壁板變形后的位置；
[0029]圖3是從圖2中L方向看過去的雙曲率焊接整體壁板的局部視圖；
[0030]圖4是從圖2中M方向看過去的雙曲率焊接整體壁板的局部視圖；
[0031]圖5是根據本發明的優選實施方式的雙曲率焊接整體壁板激光沖擊校形方法的流程圖；
[0032]圖6是對校形后的雙曲率焊接整體壁板的焊縫區域進行激光沖擊強化的示意圖。【具體實施方式】
[0033]根據要求，這里將披露本發明的【具體實施方式】。然而，應當理解的是，這里所披露的實施方式僅僅是本發明的典型例子而已，其可體現為各種形式。因此，這里披露的具體細節不被認為是限制性的，而僅僅是作為權利要求的基礎以及作為用于教導本領域技術人員以實際中任何恰當的方式不同地應用本發明的代表性的基礎，包括采用這里所披露的各種特征并結合這里可能沒有明確披露的特征。
[0034]圖1至圖4示出了本發明所涉及的一種雙曲率焊接整體壁板變形前后的示意圖。從圖2至圖4可以看出，該雙曲率焊接整體壁板100無論是其蒙皮I還是蒙皮I上焊接的長桁2都出現了變形，其中蒙皮I變形為蒙皮I’ (如圖中虛線所示)，長桁2變形為長桁2’(如圖中虛線所示)。需要說明的是，盡管圖1至圖4示出的是雙曲率焊接整體壁板，但應當理解，焊接整體壁板可以是單曲率類型或其他類型例如平坦類型。
[0035]如圖5所示，根據本發明的優選實施方式的雙曲率焊接整體壁板激光沖擊校形方法包括如下步驟:
[0036]S1:變形和殘余應力測量，即對焊接整體壁板的三維變形及關鍵區域例如焊縫區域的殘余應力進行測量；
[0037]S2:校形量及校形路徑確定，即基于獲得的三維變形數據及殘余應力數據，利用計算機及其內置的有限元分析軟件進行焊接整體壁板的仿真模擬，并與焊接整體壁板的最終形狀進行對比，來確定需校形部位的變形量及校形路徑；
[0038]S3:激光沖擊校形強度確定，即計算機根據需校形部位的變形量在內置的激光沖擊校形強度與變形量之間的對應關系數據庫中查找和確定需校形部位的沖擊成形強度；
[0039]S4:激光沖擊校形，即利用激光沖擊校形設備，按確定好的沖擊校形強度和校形路徑對焊接整體壁板的需校形部位進行沖擊校形處理；
[0040]S5:校形檢驗，即將校形后的焊接整體壁板放置在檢驗模胎上，檢測其貼膜間隙，如果該貼膜間隙超過預定間隙，則依次重復步驟S1、S2、S3、S4，逐步逼近，直至貼膜間隙小于等于預定間隙。
[0041]上述校形方法比傳統的機械校形方法具有控制精度高、工作效率高、適用范圍廣等優點，符合航空零件高要求的標準。
[0042]根據本發明的一個實施方式，在上述步驟S3之前還包括在計算機中建立激光沖擊校形強度與變形量之間的對應關系數據庫的步驟。優選地，通過試驗建立激光沖擊校形強度和變形量之間的對應關系數據庫。
[0043]根據本發明的又一個實施方式，本發明的方法還包括對校形完成后的焊接整體壁板的焊縫區域進行激光沖擊強化的步驟。
[0044]優選地，上述激光沖擊強化的步驟包括:
[0045]a)根據焊縫區域的疲勞壽命要求，確定激光沖擊強化的強度值；
[0046]b)利用激光沖擊強化設備對焊接整體壁板的蒙皮和長桁T型焊接結構兩側的焊縫區域進行全覆蓋率的同步沖擊強化。
[0047]蒙皮I和長桁2連接處的焊縫區域3 (見圖6)的激光沖擊強化可以消除焊接殘余拉應力，在焊縫表面形成一定厚度的殘余壓應力層，提高焊縫的疲勞強度及應力腐蝕性能；本發明采用兩側焊縫同步激光沖擊強化的方法，不僅強化效率高，而且有利于應力和變形的控制，避免兩側依次強化導致桁條變形。另外，需要說明的是，在上述激光沖擊強化的步驟中，對蒙皮和長桁T型焊接結構兩側焊縫區域進行的全覆蓋率同步激光沖擊強化是指至少整個焊縫區域都應進行激光沖擊強化，當然也可以對焊縫區域周圍的區域也進行激光沖擊強化。
[0048]需要說明的是，本發明的上述方法尤其適用單曲率或雙曲率激光焊接整體壁板，因為這些類型的焊接整體壁板的變形較為復雜，而用本發明的方法可以實現高精度、高效率的校形以及有效的激光沖擊強化。
[0049]具體地，在上述步驟SI中，將焊接整體壁板放置于專用工裝模胎上，利用三維變形測量設備和殘余應力測試設備來分別測量焊接壁板的三維變形量及關鍵區域例如焊縫區域的殘余應力；
[0050]在上述步驟S2中，具體是將獲得的三維變形數據及殘余應力數據輸入計算機，利用計算機內置的有限元分析軟件對焊接整體壁板進行仿真模擬，并與焊接整體壁板的最終形狀對比來確定需校形部位的變形量及校形路徑；
[0051]在上述步驟S3中，計算機根據步驟S2中確定的校形變形量來確定焊接整體壁板的需校形部位的激光沖擊校形強度，例如通過計算機自動搜索在其內預先存儲的激光沖擊校形強度與變形量之間的對應關系數據庫來查找到與該校形變形量對應的噴丸強度；
[0052]在上述步驟S4中，將激光沖擊校形對應的工藝參數(功率密度、光斑直徑、速度等)輸入至激光沖擊設備，由該設備按計算機確定好的校形路徑及強度對雙曲率焊接整體壁板進行校形處理；
[0053]在上述步驟S5中，主要是對焊接整體壁板進行外形檢驗，具體是將校形后的焊接整體壁板放置在檢驗模胎上，檢測其貼膜間隙，如果外形仍不滿足設計要求，即如果該貼膜間隙超過預定間隙，則重復S1、S2、S3、S4步驟，逐步逼近，直至滿足設計要求。
[0054]本發明的技術內容及技術特點已揭示如上，然而可以理解，在本發明的創作思想下，本領域的技術人員可以對上述結構和形狀作各種變化和改進，包括這里單獨披露或要求保護的技術特征的組合，明顯地包括這些特征的其它組合。這些變形和/或組合均落入本發明所涉及的【技術領域】內，并落入本發明權利要求的保護范圍。需要注意的是，按照慣例，權利要求中使用單個元件意在包括一個或多個這樣的元件。此外，不應該將權利要求書中的任何參考標記構造為限制本發明的范圍。
【權利要求】
1.一種焊接整體壁板激光沖擊校形方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 51)變形和殘余應力測量:對焊接整體壁板的三維變形及焊縫區域的殘余應力進行測量; 52)校形量及校形路徑確定:基于獲得的三維變形數據及殘余應力數據，利用計算機及其內置的有限元分析軟件進行焊接整體壁板的仿真模擬，并與焊接整體壁板的最終形狀進行對比，來確定需校形部位的變形量及校形路徑； 53)激光沖擊校形強度確定:計算機根據需校形部位的變形量在內置的沖擊校形強度與變形量之間的對應關系數據庫中查找和確定需校形部位的激光沖擊校形強度； 54)激光沖擊校形:利用激光沖擊設備，按計算機確定好的激光沖擊校形強度和校形路徑對焊接整體壁板的需校形部位進行沖擊校形處理； 55)激光沖擊校形檢驗:將校形后的焊接整體壁板放置在檢驗模胎上，檢測其貼膜間隙，如果該貼膜間隙超過預定間隙，則依次重復S1、S2、S3、S4步驟，逐步逼近，直至貼膜間隙小于等于預定間隙。
2.根據權利要求1所述的焊接整體壁板激光沖擊校形方法，其特征在于，在所述S3步驟之前還包括在計算機中建立激光沖擊校形強度與變形量之間的對應關系數據庫的步驟。
3.根據權利要求2所述的焊接整體壁板激光沖擊校形方法，其特征在于，所述對應關系數據通過試驗獲得。
4.根據權利要求1所述的焊接整體壁板激光沖擊校形方法，其特征在于，還包括對校形完成后的焊接整體壁板的焊縫區域進行激光沖擊強化的步驟。
5.根據權利要求4所述的焊接整體壁板激光沖擊校形方法，其特征在于，所述激光沖擊強化的步驟包括: a)根據焊縫區域的疲勞壽命要求，確定激光沖擊強化強度值； b)利用激光沖擊強化設備對激光焊接整體壁板的蒙皮和長桁T型焊接結構兩側的焊縫區域進行全覆蓋率的同步激光沖擊強化。
6.根據權利要求1至5任一項所述的焊接整體壁板激光沖擊校形方法，其特征在于，所述焊接整體壁板為單曲率或雙曲率焊接整體壁板。
【文檔編號】B21D1/00GK103752651SQ201410010295
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】劉紅兵, 秦濤, 鄧景煜, 陶汪, 王玉華, 陳彥賓, 李 昊, 張澐龍 申請人:上海飛機制造有限公司