一种粉末冶金调控的双侧激光焊接方法与流程

本发明涉及一种双激光束焊接方法，特别涉及一种粉末冶金调控的双侧激光焊接方法，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：
在飞机机身壁板中存在大量的蒙皮-长析的T型结构，这种T型结构主要采用铆接技术进行组装连接。上世纪90年代初德国空中客车公司率先开展了双侧激光同步焊接技术的研究，并成功对该T型结构进行了焊接。与传统铆接技术相比，双侧激光同步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。为了保证双侧激光焊缝成形并且抑制焊接缺陷，双侧激光同步焊接技术采用双侧对称送丝的方式进行，利用焊丝的合金调控作用改善焊缝组织，抑制孔洞、裂纹等缺陷的形成，提高双侧激光焊缝的力学性能。然而，实验发现，由于T型结构的双侧激光焊接熔池存在局部涡流特征，并且较高的焊接速度使熔池金属更快的结晶凝固，导致焊丝内合金元素很难与原始蒙皮母材充分混合，即以蒙皮上表面为分界，焊缝内上下侧元素分布不均匀。如图1所示，焊丝元素虽然能在焊缝长桁侧3中充分混合，但很难混合进入焊缝蒙皮侧4区域，这将导致焊丝元素对焊缝蒙皮侧4组织的合金调控作用被抑制，微裂纹容易在焊缝蒙皮侧4晶粒间萌生扩展，最终导致双侧激光焊缝整体力学性能的下降。针对以上问题，国外有学者发现，增大送丝速度能够一定程度上促进焊丝元素向焊缝蒙皮侧4扩展，但作用有限，且采用过大的送丝速度会对双侧激光焊接过程的稳定性造成不利影响，形成焊接缺陷而破坏焊缝成形。目前，未见相关专利的提出以解决以上问题。

技术实现要素：
本发明为了解决T型结构双侧激光焊接过程中焊丝元素无法对焊缝组织进行充分合金调控的问题，而提出一种粉末冶金调控的双侧激光焊接方法。本发明提出的一种粉末冶金调控的双侧激光焊接方法，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：步骤一、加工凹槽：在蒙皮上表面待焊位置中心沿焊接方向机械铣削凹槽，凹槽的横截面为圆弧形，凹槽的曲率半径r等于下熔合线曲率半径R，凹槽最大深度d1小于焊缝蒙皮侧最大熔深D，凹槽最大宽度w1小于焊缝最大熔宽W；对蒙皮进行化学清洗以去除氧化膜和加工污渍；步骤二、向凹槽中预填合金粉末以形成沉积层：将激光熔覆头竖直放置于凹槽的正上方，采用激光束与合金粉末同轴送入的方式，在凹槽表面进行激光送粉增材以获得沉积层，用磨床将高出蒙皮表面的沉积材料磨削掉使沉积表面与蒙皮表面共面；步骤三、对长桁与蒙皮进行双激光填丝焊接：将长桁沿凹槽的竖直中心线放置于沉积层上，将两个焊丝对称放置于长桁两侧，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，焊丝、激光束和保护气喷嘴的顺序为由前至后依次设置，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填丝焊接，获得双侧对称焊缝。本发明与现有技术相比具有以下有益效果：一、由于本发明进行连续焊接步骤之前增加了凹槽，通过激光合金粉末增材将合金粉末预置于凹槽内形成沉积层，最后通过双侧激光填丝焊接将凹槽内沉积层填充焊丝，使得长桁和蒙皮充分熔合而形成整体双侧激光焊缝，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。二、本发明的方法中的凹槽结构简单，易于通过铣削加工获得；激光合金粉末增材工艺精确可控效率高，获得的沉积层致密度高无缺陷；实验证明，按照限制条件加工凹槽并采用优化工艺参数进行激光合金粉末增材获得的沉积层组织不会对T型结构焊缝组织造成不利影响，能够在原有焊缝的基础上进一步提高焊缝的力学性能。三、本发明的方法中的增材用合金粉末配比灵活，方便按照焊缝蒙皮侧组织调控要求改变合金粉末成分比例，无需专门加工焊丝，降低成本，能够实现对焊缝蒙皮侧组织的特定调控；实验证明，混合合金粉末通过激光增材能够均匀沉积于凹槽内，沉积层元素分布均匀。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。附图说明图1是蒙皮-长桁T型结构双激光束焊缝示意图；图2是预置圆弧形凹槽的示意图；图3是在凹槽5内激光合金粉末增材示意图；图4是长桁1置于沉积层6上的位置示意图；图5是双激光束填丝焊接示意图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1～图5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1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：步骤一、加工凹槽5：在蒙皮2上表面待焊位置中心沿焊接方向机械铣削凹槽5，凹槽5的横截面为圆弧形，凹槽5的曲率半径r等于下熔合线曲率半径R，凹槽5最大深度d1小于焊缝蒙皮侧4最大熔深D，凹槽5最大宽度w1小于焊缝最大熔宽W，对蒙皮2进行化学清洗以去除氧化膜和加工污渍；选择合适铣刀并用铣床加工凹槽5；步骤二、向凹槽5中预填合金粉末以形成沉积层6：将激光熔覆头7竖直放置于凹槽5的正上方，采用激光束8与合金粉末12同轴送入的方式，在凹槽5表面进行激光送粉增材以获得沉积层6，激光送粉增材后，用磨床将高出蒙皮2表面的沉积材料磨削掉使沉积表面与蒙皮表面共面；步骤三、对长桁1与蒙皮2进行双激光填丝焊接：将长桁1沿凹槽5的竖直中心线N-N放置于沉积层6上，将两个焊丝9对称放置于长桁1两侧，两个激光束8对称放置于长桁1两侧，两个保护气喷嘴10对称放置于长桁1两侧，焊丝9、激光束8和保护气喷嘴10的顺序为由前至后依次设置，采用惰性气体对双侧激光焊缝进行实时保护，对长桁1和蒙皮2进行双侧激光填丝焊接，获得双侧对称焊缝11。具体实施方式二：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式是长桁1和蒙皮2厚度均为2mm，焊缝蒙皮侧4最大熔深D控制范围为0.5mm～1.0mm，焊缝最大熔宽W控制范围为2.5mm～3.0mm，凹槽最大深度d1与焊缝蒙皮侧4最大熔深D满足关系：d1＝0.8D，凹槽最大宽度w1与焊缝最大熔宽W满足关系：w1＝0.8W。其它步骤与具体实施方式一相同。具体实施方式三：结合图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式是步骤二中凹槽5的截面积应等于沉积层6截面积。其它步骤与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式是步骤二中合金粉末成分与焊丝成份一致，合金粉末中各成分的质量百分含量为12％硅、0.2％铁、87.8％铝。其它步骤与具体实施方式三相同。具体实施方式五：本实施方式是步骤二中合金粉末成份与焊丝成份不同，焊丝中各成分的质量百分含量为12％硅、0.2％铁、87.8％铝，合金粉末中各成分的质量百分含量为7％硅、2％铜、0.5钪、90.5％铝，该合金粉末成分能够细化焊缝蒙皮侧4晶粒，改善晶间相组成并提高晶间强度，抑制热裂纹萌生扩展。其它步骤与具体实施方式三相同。具体实施方式六：本实施方式是步骤二中激光送粉增材采用工艺参数：激光功率为500W，送粉速率为13g/min，激光扫描速度为0.3m/min，沉积层宽度w2控制范围为2.0mm～2.5mm，沉积层最大深度d2控制范围为0.5mm～1.0mm。其它步骤与具体实施方式三相同。具体实施方式七：本实施方式是步骤三中双激光束的激光功率选为3000W，双激光束的入射角度选为22°，焊接速度选为10m/min，焊丝直径为1.2mm，送丝速度为4.3m/min，采用Ar气保护，气流量为15L/min。其它步骤与具体实施方式三相同。具体实施方式八：结合图4说明本实施方式，本实施方式是步骤三中的长桁1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。具体实施方式九：本实施方式是步骤三中惰性气体采用Ar或He。其它步骤与具体实施方式八相同。具体实施方式十：结合图5说明本实施方式，本实施方式是步骤三中焊丝9选用ER4043或ER2319焊丝。其它步骤与具体实施方式九相同。