一種3d增材的t型結構雙側激光焊接方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種雙激光束焊接方法，特別涉及一種3D增材的T型結構雙側激光焊接方法，可以應用于飛機壁板制造過程中長桁和蒙皮的焊接過程。
【背景技術】
[0002]飛機機身壁板主要由長桁-蒙皮的T型結構組成，先前這種T型結構必須采用傳統的鉚接方法進行連接。然而，鉚接不但生產效率低下，而且額外增加了機身的重量，降低了飛機的燃油經濟性。上世紀90年代初空中客車公司開展了機身壁板T型結構雙側激光焊接技術的研究，并成功利用該技術代替了鉚接對長桁-蒙皮的T型結構的焊接。與傳統鉚接技術相比，該雙側激光焊接技術具有更高的生產效率，特別是能夠大幅度減小機身重量，提高飛機的燃油經濟性。目前這一革新技術已成功應用于包括最小型A318和最大型A380在內空客公司多種機型的機身壁板結構制造中。
[0003]空客提出的雙側激光焊接技術采用雙側對稱送絲的方式進行，通過填充焊絲補充熔池內金屬，形成均勻圓滑過渡的焊縫從而抑制熔合不良、咬邊、孔洞、裂紋等焊接缺陷的形成，提高雙側激光焊縫的力學性能。然而，實驗發現，為了抑制氣孔缺陷的形成，目前的T型結構雙側激光焊接需要在較高的焊接速度下進行，焊接速度甚至達到10m/min以上。在高焊速情況下，保證長焊道焊接過程的持續穩定進行難度很大，特別是對送絲機構精確穩定性的要求更苛刻，而焊絲在被送入熔池過程中將同時受到熔池尺寸、激光功率、激光焦點位置、焊接飛濺以及焊絲殘余形變等諸多因素的影響，以上任意因素的波動或突變均會導致焊絲無法被持續穩定恒速地送入熔池內，將嚴重影響焊縫成形并導致焊接缺陷的產生，甚至使焊接過程中斷，而由于實際生產對機身結構的嚴格要求，雙側激光焊縫不宜進行重熔補焊處理。因此，使雙側激光焊接過程穩定進行并確保一次性焊接得到均勻連貫無缺陷的雙側焊縫是影響雙側激光焊接技術成熟應用于機身壁板T型結構制造的先決條件。此外，由于T型結構在焊縫成形及結構拘束度上的特點，雙側激光焊接技術對焊絲本身的強化焊縫組織及抑制缺陷的作用要求更高，現有商用焊絲很難同時滿足焊縫合金調控強化和抑制裂紋等缺陷的要求，因此需要根據特殊冶金要求，提出全新成分配比的焊絲，而這將大大增加研發和生產成本。

【發明內容】

[0004]本發明為了解決在高焊接速度及長焊道的情況下，T型結構雙側激光焊接過程難以確保焊絲被持續穩定恒速地送入熔池內并一次性焊接獲得均勻連貫無缺陷的雙側焊縫以及難以靈活對焊縫組織進行特定合金調控的問題，而提出一種3D增材的T型結構雙側激光焊接方法。
[0005]本發明的一種3D增材的T型結構雙側激光焊接方法，所述焊接方法是對飛機壁板T型結構的焊接，該T型結構由豎直放置的長桁與水平放置的蒙皮焊接而成，具體焊接方法是通過以下步驟實現的:
[0006]步驟一、對長桁表面進行化學清洗；
[0007]步驟二、設計沉積層:在長桁表面待焊區域設計沉積層，沉積層的截面為正方形或矩形；
[0008]步驟三:將激光熔覆頭豎直放置于長桁表面待焊區域正上方，采用激光束與合金粉末同軸送入的方式，在長桁兩側待焊區域進行激光3D增材以獲得沉積層，激光送粉增材采用工藝參:激光功率為300W?500W，送粉速率為3g/min?10g/min，激光掃描速度為0.2m/min?0.6m/min，激光焦點位于長桁表面，沉積層的寬度di控制在0.5mm?1.7mm，沉積層的高度cb控制在0.5mm?2.1mm；
[0009]步驟四:將帶有增材沉積層的長桁放置于蒙皮上待焊位置，將兩個激光束對稱放置于長桁兩側，兩個保護氣噴嘴對稱放置于長桁兩側，激光束和保護氣噴嘴的順序為由前至后設置，采用惰性氣體對雙側激光焊縫進行實時保護，對長桁和蒙皮進行雙側激光焊接，獲得雙側對稱焊縫8。
[0010]本發明與現有技術相比具有以下有益效果:
[0011 ] 一、由于本發明在進行連續焊接步驟之前通過激光粉末增材將合金粉末預置于長桁表面待焊區域并形成沉積層，最后進行雙側激光焊接，沉積層焊接在焊縫中，使得長桁和蒙皮充分熔合而形成整體雙側激光焊縫，沉積層(合金)調控元素能夠在焊縫蒙皮側充分混合，焊縫長桁側與蒙皮側中元素分布差異基本消除，實現了合金元素對焊縫組織的均勻合金調控，從而提高了焊縫的力學性能。本發明方法避免了在常規雙側激光填絲焊接過程中由于熔池尺寸、激光功率、激光焦點位置、焊接飛濺以及焊絲殘余形變等諸多因素的突變導致焊絲無法被持續穩定恒速地送入熔池內，從而影響焊縫成形甚至出現焊接中斷的問題。
[0012]二、本發明的方法采用的激光3D增材工藝精確可控且效率高，獲得的沉積層致密度高、成形均勻、無缺陷；實驗證明，采用優化工藝參數進行激光3D增材獲得的沉積層不會對T型結構焊縫組織造成不利影響，能夠避免裂紋、孔洞等缺陷的形成。
[0013]三、本發明的方法中的激光增材用粉末配比靈活，方便按照焊縫組織冶金特性要求選擇粉末成分及比例，無需生產專用焊絲，能夠顯著降低成本并實現對雙側焊縫組織的特定合金調控;實驗證明，增材粉末通過激光3D增材能夠獲得元素分布均勻的沉積層。
[0014]四、本發明的方法不僅適用于T型結構的焊接，也適用于搭接結構、十字結構、丁字結構等結構的焊接。
【附圖說明】
[0015]圖1為長桁I表面激光3D增材示意圖；
[0016]圖2為長桁I表面沉積層3橫截面示意圖；
[0017]圖3為圖2的I局部放大圖；
[0018]圖4為雙側激光焊接示意圖。
【具體實施方式】
[0019]【具體實施方式】一:結合圖1?圖4說明本實施方式，本實施方式的焊接方法是對飛機壁板T型結構的焊接，該T型結構由豎直放置的長桁I與水平放置的蒙皮2焊接而成，具體焊接方法是通過以下步驟實現的:
[0020]步驟一、對長桁I表面進行化學清洗以去除氧化膜和油污；
[0021]步驟二、設計沉積層3:在長桁I表面待焊區域設計沉積層3，沉積層3的截面為正方形或矩形；
[0022]步驟三:將激光熔覆頭6豎直放置于長桁I表面待焊區域正上方，采用激光束4與合金粉末5同軸送入的方式，在長桁I兩側待焊區域進行激光3D增材以獲得沉積層3，激光送粉增材采用工藝參:激光功率為300W?500W，送粉速率為3g/min?10g/min，激光掃描速度為
0.2m/min?0.6m/min，激光焦點位于長桁I表面，沉積層3的寬度di控制在0.5mm?1.7mm，沉積層3的高度cb控制在0.5mm?2.1mm；
[0023]步驟四:將帶有增材沉積層3的長桁I放置于蒙皮2上待焊位置，將兩個激光束4對稱放置于長桁I兩側，兩個保護氣噴嘴7對稱放置于長桁I兩側，激光束4和保護氣噴嘴7的順序為由前至后設置，采用惰性氣體對雙側激光焊縫進行實時保護，對長桁I和蒙皮2進行雙側激光焊接，獲得雙側對稱焊縫8。
[0024]【具體實施方式】二:結合圖3說明本實施方式，本實施方式是步驟二中沉積層3的截面為正方形，即di = d2，di和d2滿足以下關系:di.?2 = τι.r2.v/V，其中，di為沉積層寬度，d2為沉積層高度，r為常規雙側激光填絲焊接使用焊絲的半徑，V為送絲速度，V為焊接速度。其它步驟與【具體實施方式】一相同。
[0025]【具體實施方式】三:結合圖3說明本實施方式，本實施方式是步驟二中沉積層3的截面為矩形，即CU在d2，d_d2滿足以下關系:cU.d2 = 3i.r2.v/V，其中，r為常規雙側激光填絲焊接使用焊絲的半徑，V為送絲速度，V為焊接速度。其它步驟與【具體實施方式】一相同。
[0026]【具體實施方式】四:本實施方式是步驟三中的合金粉末5中各成分的質量百分含量為8 %硅、4 %銅、0.5 %鈰和87.5 %鋁。該合金粉末5不但能夠細化雙側焊縫晶粒組織，而且能夠改善晶間沉淀相組成以提高晶間強度，并且抑制熱裂紋萌生和擴展。其它步驟與【具體實施方式】一、二或三相同。
[0027]【具體實施方式】五:結合圖4說明本實施方式，本實施方式是長桁I和蒙皮2厚度均為2mm，沉積層3的截面為正方形時，di = d2 = 0.7mm。其它步驟與【具體實施方式】四相同。
[0028]【具體實施方式】六:本實施方式是步驟三中激光3D增材采用工藝參數:激光功率為400W，送粉速率為10g/min，激光掃描速度為0.6m/min，沉積層寬度cb和沉積層高度d2控制范圍均為0.6?0.8_。其它步驟與【具體實施方式】五相同。
[0029]【具體實施方式】七:本實施方式是步驟四中雙側激光焊接的工藝參數:激光功率選為310W，激光束的入射角度選為35°，激光焦點位于沉積層表面，焊接速度選為10m/min，采用Ar氣保護，氣流量為15L/min。其它步驟與【具體實施方式】六相同。
[0030]【具體實施方式】八:結合圖4說明本實施方式，本實施方式是長桁I和蒙皮2的材質均為鋁合金、鋁鋰合金或鈦合金。其它步驟與【具體實施方式】七相同。
【主權項】
1.一種3D增材的T型結構雙側激光焊接方法，所述焊接方法是對飛機壁板T型結構的焊接，該T型結構由豎直放置的長桁(I)與水平放置的蒙皮(2)焊接而成，其特征在于:所述焊接方法是通過以下步驟實現的: 步驟一、對長桁(I)表面進行化學清洗； 步驟二、設計沉積層(3):在長桁(I)表面待焊區域設計沉積層(3)，沉積層(3)的截面為正方形或矩形； 步驟三:將激光熔覆頭(6)豎直放置于長桁(I)表面待焊區域正上方，采用激光束(4)與合金粉末(5)同軸送入的方式，在長桁(I)兩側待焊區域進行激光3D增材以獲得沉積層(3)，激光送粉增材采用工藝參:激光功率為300W?500W，送粉速率為3g/min?10g/min，激光掃描速度為0.2m/min?0.6m/min，激光焦點位于長桁(I)表面，沉積層(3)的寬度di控制在0.5謹?1.7mm，沉積層(3)的高度cb控制在0.5謹?2.1謹； 步驟四:將帶有增材沉積層(3)的長桁(I)放置于蒙皮(2)上待焊位置，將兩個激光束(4)對稱放置于長桁(I)兩側，兩個保護氣噴嘴(7)對稱放置于長桁(I)兩側，激光束(4)和保護氣噴嘴(7)的順序為由前至后設置，采用惰性氣體對雙側激光焊縫進行實時保護，對長桁(I)和蒙皮(2)進行雙側激光焊接，獲得雙側對稱焊縫(8)。2.根據權利要求1所述的一種3D增材的T型結構雙側激光焊接方法，其特征在于:所述:所述步驟二中沉積層(3)的截面為正方形，即di = d2，di和d2滿足以下關系:di.d2 = n.r2.v/V，其中，cb為沉積層寬度，山為沉積層高度，r為常規雙側激光填絲焊接使用焊絲的半徑，V為送絲速度，V為焊接速度。3.根據權利要求1所述的一種3D增材的T型結構雙側激光焊接方法，其特征在于:所述步驟二中沉積層⑶的截面為矩形，即di在d2，di和d2滿足以下關系:di.d2 = n.r2.v/V，其中，r為常規雙側激光填絲焊接使用焊絲的半徑，V為送絲速度，V為焊接速度。4.根據權利要求1、2或3所述的一種3D增材的T型結構雙側激光焊接方法，其特征在于:所述步驟三中的合金粉末(5)中各成分的質量百分含量為8 %硅、4 %銅、0.5 %鈰和87.5 %招O5.根據權利要求4所述的一種3D增材的T型結構雙側激光焊接方法，其特征在于:所述長桁(I)和蒙皮(2)厚度均為2mm，沉積層(3)的截面為正方形時，di = d2 = 0.7mm。6.根據權利要求5所述的一種3D增材的T型結構雙側激光焊接方法，其特征在于:所述步驟三中激光3D增材采用工藝參數:激光功率為400W，送粉速率為10g/min，激光掃描速度為0.6m/min，沉積層寬度cU和沉積層高度d2控制范圍均為0.6?0.8mm。7.根據權利要求6所述的一種3D增材的T型結構雙側激光焊接方法，其特征在于:所述步驟四中雙側激光焊接的工藝參數:激光功率選為310W，激光束的入射角度選為35°，激光焦點位于沉積層表面，焊接速度選為10m/min，采用Ar氣保護，氣流量為15L/min。8.根據權利要求7所述的一種3D增材的T型結構雙側激光焊接方法，其特征在于:所述長桁(I)和蒙皮(2)的材質均為鋁合金、鋁鋰合金或鈦合金。
【專利摘要】一種3D增材的T型結構雙側激光焊接方法，它涉及一種雙激光束焊接方法，以解決在高焊接速度及長焊道的情況下，T型結構雙側激光焊接過程難以確保焊絲被持續穩定恒速地送入熔池內并一次性焊接獲得均勻連貫無缺陷的雙側焊縫以及難以靈活對焊縫組織進行特定合金調控的問題。本發明方法：一、對長桁表面進行化學清洗；二、設計沉積層：在長桁表面待焊區域設計沉積層，沉積層的截面為正方形或矩形；三：將激光熔覆頭豎直放置于長桁表面待焊區域正上方，采用激光束與合金粉末同軸送入的方式，在長桁兩側待焊區域進行激光3D增材以獲得沉積層；四：對長桁和蒙皮進行雙側激光焊接，獲得雙側對稱焊縫。本發明用于T型結構雙激光焊接。
【IPC分類】B23K26/24, B23K26/06, B23K26/60, B23K26/12
【公開號】CN105710536
【申請號】CN201610239636
【發明人】陶汪, 韓冰, 陳彥賓
【申請人】哈爾濱工業大學