一种3d增材的t型结构双侧激光焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双激光束焊接方法，特别涉及一种3D增材的T型结构双侧激光焊接方法，可以应用于飞机壁板制造过程中长桁和蒙皮的焊接过程。
【背景技术】
[0002]飞机机身壁板主要由长桁-蒙皮的T型结构组成，先前这种T型结构必须采用传统的铆接方法进行连接。然而，铆接不但生产效率低下，而且额外增加了机身的重量，降低了飞机的燃油经济性。上世纪90年代初空中客车公司开展了机身壁板T型结构双侧激光焊接技术的研究，并成功利用该技术代替了铆接对长桁-蒙皮的T型结构的焊接。与传统铆接技术相比，该双侧激光焊接技术具有更高的生产效率，特别是能够大幅度减小机身重量，提高飞机的燃油经济性。目前这一革新技术已成功应用于包括最小型A318和最大型A380在内空客公司多种机型的机身壁板结构制造中。
[0003]空客提出的双侧激光焊接技术采用双侧对称送丝的方式进行，通过填充焊丝补充熔池内金属，形成均匀圆滑过渡的焊缝从而抑制熔合不良、咬边、孔洞、裂纹等焊接缺陷的形成，提高双侧激光焊缝的力学性能。然而，实验发现，为了抑制气孔缺陷的形成，目前的T型结构双侧激光焊接需要在较高的焊接速度下进行，焊接速度甚至达到10m/min以上。在高焊速情况下，保证长焊道焊接过程的持续稳定进行难度很大，特别是对送丝机构精确稳定性的要求更苛刻，而焊丝在被送入熔池过程中将同时受到熔池尺寸、激光功率、激光焦点位置、焊接飞溅以及焊丝残余形变等诸多因素的影响，以上任意因素的波动或突变均会导致焊丝无法被持续稳定恒速地送入熔池内，将严重影响焊缝成形并导致焊接缺陷的产生，甚至使焊接过程中断，而由于实际生产对机身结构的严格要求，双侧激光焊缝不宜进行重熔补焊处理。因此，使双侧激光焊接过程稳定进行并确保一次性焊接得到均匀连贯无缺陷的双侧焊缝是影响双侧激光焊接技术成熟应用于机身壁板T型结构制造的先决条件。此外，由于T型结构在焊缝成形及结构拘束度上的特点，双侧激光焊接技术对焊丝本身的强化焊缝组织及抑制缺陷的作用要求更高，现有商用焊丝很难同时满足焊缝合金调控强化和抑制裂纹等缺陷的要求，因此需要根据特殊冶金要求，提出全新成分配比的焊丝，而这将大大增加研发和生产成本。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决在高焊接速度及长焊道的情况下，T型结构双侧激光焊接过程难以确保焊丝被持续稳定恒速地送入熔池内并一次性焊接获得均匀连贯无缺陷的双侧焊缝以及难以灵活对焊缝组织进行特定合金调控的问题，而提出一种3D增材的T型结构双侧激光焊接方法。
[0005]本发明的一种3D增材的T型结构双侧激光焊接方法，所述焊接方法是对飞机壁板T型结构的焊接，该T型结构由竖直放置的长桁与水平放置的蒙皮焊接而成，具体焊接方法是通过以下步骤实现的:
[0006]步骤一、对长桁表面进行化学清洗；
[0007]步骤二、设计沉积层:在长桁表面待焊区域设计沉积层，沉积层的截面为正方形或矩形；
[0008]步骤三:将激光熔覆头竖直放置于长桁表面待焊区域正上方，采用激光束与合金粉末同轴送入的方式，在长桁两侧待焊区域进行激光3D增材以获得沉积层，激光送粉增材采用工艺参:激光功率为300W?500W，送粉速率为3g/min?10g/min，激光扫描速度为0.2m/min?0.6m/min，激光焦点位于长桁表面，沉积层的宽度di控制在0.5mm?1.7mm，沉积层的高度cb控制在0.5mm?2.1mm；
[0009]步骤四:将带有增材沉积层的长桁放置于蒙皮上待焊位置，将两个激光束对称放置于长桁两侧，两个保护气喷嘴对称放置于长桁两侧，激光束和保护气喷嘴的顺序为由前至后设置，采用惰性气体对双侧激光焊缝进行实时保护，对长桁和蒙皮进行双侧激光焊接，获得双侧对称焊缝8。
[0010]本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
[0011 ] 一、由于本发明在进行连续焊接步骤之前通过激光粉末增材将合金粉末预置于长桁表面待焊区域并形成沉积层，最后进行双侧激光焊接，沉积层焊接在焊缝中，使得长桁和蒙皮充分熔合而形成整体双侧激光焊缝，沉积层(合金)调控元素能够在焊缝蒙皮侧充分混合，焊缝长桁侧与蒙皮侧中元素分布差异基本消除，实现了合金元素对焊缝组织的均匀合金调控，从而提高了焊缝的力学性能。本发明方法避免了在常规双侧激光填丝焊接过程中由于熔池尺寸、激光功率、激光焦点位置、焊接飞溅以及焊丝残余形变等诸多因素的突变导致焊丝无法被持续稳定恒速地送入熔池内，从而影响焊缝成形甚至出现焊接中断的问题。
[0012]二、本发明的方法采用的激光3D增材工艺精确可控且效率高，获得的沉积层致密度高、成形均匀、无缺陷；实验证明，采用优化工艺参数进行激光3D增材获得的沉积层不会对T型结构焊缝组织造成不利影响，能够避免裂纹、孔洞等缺陷的形成。
[0013]三、本发明的方法中的激光增材用粉末配比灵活，方便按照焊缝组织冶金特性要求选择粉末成分及比例，无需生产专用焊丝，能够显著降低成本并实现对双侧焊缝组织的特定合金调控;实验证明，增材粉末通过激光3D增材能够获得元素分布均匀的沉积层。
[0014]四、本发明的方法不仅适用于T型结构的焊接，也适用于搭接结构、十字结构、丁字结构等结构的焊接。
【附图说明】
[0015]图1为长桁I表面激光3D增材示意图；
[0016]图2为长桁I表面沉积层3横截面示意图；
[0017]图3为图2的I局部放大图；
[0018]图4为双侧激光焊接示意图。
【具体实施方式】
[0019]【具体实施方式】一:结合图1?图4说明本实施方式，本实施方式的焊接方法是对飞机壁板T型结构的焊接，该T型结构由竖直放置的长桁I与水平放置的蒙皮2焊接而成，具体焊接方法是通过以下步骤实现的:
[0020]步骤一、对长桁I表面进行化学清洗以去除氧化膜和油污；
[0021]步骤二、设计沉积层3:在长桁I表面待焊区域设计沉积层3，沉积层3的截面为正方形或矩形；
[0022]步骤三:将激光熔覆头6竖直放置于长桁I表面待焊区域正上方，采用激光束4与合金粉末5同轴送入的方式，在长桁I两侧待焊区域进行激光3D增材以获得沉积层3，激光送粉增材采用工艺参:激光功率为300W?500W，送粉速率为3g/min?10g/min，激光扫描速度为
0.2m/min?0.6m/min，激光焦点位于长桁I表面，沉积层3的宽度di控制在0.5mm?1.7mm，沉积层3的高度cb控制在0.5mm?2.1mm；
[0023]步骤四:将带有增材沉积层3的长桁I放置于蒙皮2上待焊位置，将两个激光束4对称放置于长桁I两侧，两个保护气喷嘴7对称放置于长桁I两侧，激光束4和保护气喷嘴7的顺序为由前至后设置，采用惰性气体对双侧激光焊缝进行实时保护，对长桁I和蒙皮2进行双侧激光焊接，获得双侧对称焊缝8。
[0024]【具体实施方式】二:结合图3说明本实施方式，本实施方式是步骤二中沉积层3的截面为正方形，即di = d2，di和d2满足以下关系:di.?2 = τι.r2.v/V，其中，di为沉积层宽度，d2为沉积层高度，r为常规双侧激光填丝焊接使用焊丝的半径，V为送丝速度，V为焊接速度。其它步骤与【具体实施方式】一相同。
[0025]【具体实施方式】三:结合图3说明本实施方式，本实施方式是步骤二中沉积层3的截面为矩形，即CU在d2，d_d2满足以下关系:cU.d2 = 3i.r2.v/V，其中，r为常规双侧激光填丝焊接使用焊丝的半径，V为送丝速度，V为焊接速度。其它步骤与【具体实施方式】一相同。
[0026]【具体实施方式】四:本实施方式是步骤三中的合金粉末5中各成分的质量百分含量为8 %硅、4 %铜、0.5 %铈和87.5 %铝。该合金粉末5不但能够细化双侧焊缝晶粒组织，而且能够改善晶间沉淀相组成以提高晶间强度，并且抑制热裂纹萌生和扩展。其它步骤与【具体实施方式】一、二或三相同。
[0027]【具体实施方式】五:结合图4说明本实施方式，本实施方式是长桁I和蒙皮2厚度均为2mm，沉积层3的截面为正方形时，di = d2 = 0.7mm。其它步骤与【具体实施方式】四相同。
[0028]【具体实施方式】六:本实施方式是步骤三中激光3D增材采用工艺参数:激光功率为400W，送粉速率为10g/min，激光扫描速度为0.6m/min，沉积层宽度cb和沉积层高度d2控制范围均为0.6?0.8_。其它步骤与【具体实施方式】五相同。
[0029]【具体实施方式】七:本实施方式是步骤四中双侧激光焊接的工艺参数:激光功率选为310W，激光束的入射角度选为35°，激光焦点位于沉积层表面，焊接速度选为10m/min，采用Ar气保护，气流量为15L/min。其它步骤与【具体实施方式】六相同。
[0030]【具体实施方式】八:结合图4说明本实施方式，本实施方式是长桁I和蒙皮2的材质均为铝合金、铝锂合金或钛合金。其它步骤与【具体实施方式】七相同。
【主权项】
1.一种3D增材的T型结构双侧激光焊接方法，所述焊接方法是对飞机壁板T型结构的焊接，该T型结构由竖直放置的长桁(I)与水平放置的蒙皮(2)焊接而成，其特征在于:所述焊接方法是通过以下步骤实现的: 步骤一、对长桁(I)表面进行化学清洗； 步骤二、设计沉积层(3):在长桁(I)表面待焊区域设计沉积层(3)，沉积层(3)的截面为正方形或矩形； 步骤三:将激光熔覆头(6)竖直放置于长桁(I)表面待焊区域正上方，采用激光束(4)与合金粉末(5)同轴送入的方式，在长桁(I)两侧待焊区域进行激光3D增材以获得沉积层(3)，激光送粉增材采用工艺参:激光功率为300W?500W，送粉速率为3g/min?10g/min，激光扫描速度为0.2m/min?0.6m/min，激光焦点位于长桁(I)表面，沉积层(3)的宽度di控制在0.5謹?1.7mm，沉积层(3)的高度cb控制在0.5謹?2.1謹； 步骤四:将带有增材沉积层(3)的长桁(I)放置于蒙皮(2)上待焊位置，将两个激光束(4)对称放置于长桁(I)两侧，两个保护气喷嘴(7)对称放置于长桁(I)两侧，激光束(4)和保护气喷嘴(7)的顺序为由前至后设置，采用惰性气体对双侧激光焊缝进行实时保护，对长桁(I)和蒙皮(2)进行双侧激光焊接，获得双侧对称焊缝(8)。2.根据权利要求1所述的一种3D增材的T型结构双侧激光焊接方法，其特征在于:所述:所述步骤二中沉积层(3)的截面为正方形，即di = d2，di和d2满足以下关系:di.d2 = n.r2.v/V，其中，cb为沉积层宽度，山为沉积层高度，r为常规双侧激光填丝焊接使用焊丝的半径，V为送丝速度，V为焊接速度。3.根据权利要求1所述的一种3D增材的T型结构双侧激光焊接方法，其特征在于:所述步骤二中沉积层⑶的截面为矩形，即di在d2，di和d2满足以下关系:di.d2 = n.r2.v/V，其中，r为常规双侧激光填丝焊接使用焊丝的半径，V为送丝速度，V为焊接速度。4.根据权利要求1、2或3所述的一种3D增材的T型结构双侧激光焊接方法，其特征在于:所述步骤三中的合金粉末(5)中各成分的质量百分含量为8 %硅、4 %铜、0.5 %铈和87.5 %招O5.根据权利要求4所述的一种3D增材的T型结构双侧激光焊接方法，其特征在于:所述长桁(I)和蒙皮(2)厚度均为2mm，沉积层(3)的截面为正方形时，di = d2 = 0.7mm。6.根据权利要求5所述的一种3D增材的T型结构双侧激光焊接方法，其特征在于:所述步骤三中激光3D增材采用工艺参数:激光功率为400W，送粉速率为10g/min，激光扫描速度为0.6m/min，沉积层宽度cU和沉积层高度d2控制范围均为0.6?0.8mm。7.根据权利要求6所述的一种3D增材的T型结构双侧激光焊接方法，其特征在于:所述步骤四中双侧激光焊接的工艺参数:激光功率选为310W，激光束的入射角度选为35°，激光焦点位于沉积层表面，焊接速度选为10m/min，采用Ar气保护，气流量为15L/min。8.根据权利要求7所述的一种3D增材的T型结构双侧激光焊接方法，其特征在于:所述长桁(I)和蒙皮(2)的材质均为铝合金、铝锂合金或钛合金。
【专利摘要】一种3D增材的T型结构双侧激光焊接方法，它涉及一种双激光束焊接方法，以解决在高焊接速度及长焊道的情况下，T型结构双侧激光焊接过程难以确保焊丝被持续稳定恒速地送入熔池内并一次性焊接获得均匀连贯无缺陷的双侧焊缝以及难以灵活对焊缝组织进行特定合金调控的问题。本发明方法：一、对长桁表面进行化学清洗；二、设计沉积层：在长桁表面待焊区域设计沉积层，沉积层的截面为正方形或矩形；三：将激光熔覆头竖直放置于长桁表面待焊区域正上方，采用激光束与合金粉末同轴送入的方式，在长桁两侧待焊区域进行激光3D增材以获得沉积层；四：对长桁和蒙皮进行双侧激光焊接，获得双侧对称焊缝。本发明用于T型结构双激光焊接。
【IPC分类】B23K26/24, B23K26/06, B23K26/60, B23K26/12
【公开号】CN105710536
【申请号】CN201610239636
【发明人】陶汪, 韩冰, 陈彦宾
【申请人】哈尔滨工业大学