[发明专利]一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种双激光束焊接方法，特别涉及一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，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

在飞机的机身筒段中存在大量的长桁-蒙皮T型结构，这种T型结构此前主要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率先开展了双侧激光同步焊接技术的研究，并成功利用该技术实现了对长桁1-蒙皮2T型结构的焊接，焊缝成形如图1所示。相比于铆接工艺，双侧激光同步焊接不仅提高了生产效率，而且大大降低了机身重量，因此更加节约燃油，降低了飞行成本。目前这一革新技术已成功应用于空中客车A318/A380等型号机身壁板的加工制造工艺上。

为了获得外形均匀对称且尺寸达标的双侧激光焊缝，焊接工艺要求采用双侧对称填送焊丝的方式。焊丝的作用主要为补充焊接金属、合金调控以强化焊缝并抑制焊缝内孔洞、裂纹等缺陷。而由于硅元素具有突出的流动特性，实际生产中使用较多的主要为铝硅焊丝(如ER4043和ER4047焊丝)。然而，实验中发现由于T型结构双激光束焊接明显不同于对接焊接的熔池流场特征，导致焊丝内合金元素很难与原始蒙皮母材充分混合。以上原因形成了以蒙皮上表面为分界，焊缝内上下侧元素分布不均匀的问题，即焊缝长桁侧3的元素组成主要由长桁1与焊丝成分充分混合而形成，而焊缝蒙皮侧4的元素组成则主要由蒙皮2与很少量焊丝成分不均匀混合而形成，特别是在焊缝蒙皮侧4最大熔深H附近组织基本是由蒙皮2母材重新凝固结晶而形成，如图1所示。由于现有双侧激光焊接没有凹槽，焊缝中焊丝合金成分自上至下呈梯度不均匀分布使焊丝对焊缝蒙皮侧4组织合金调控和裂纹抑制的作用被极大限制，最终导致热裂纹缺陷在焊缝底部萌生扩展以及焊缝整体力学性能的下降。

针对以上问题，国外已经有学者展开相关研究并发现，通过增大送丝速度能够促使焊丝成分在惯性的作用下进一步向熔池底部扩展。然而，实验发现仅仅通过增大送丝速度很难实现焊丝成分在熔池底部的充分混合，更重要的是过大的送丝速度不但会恶化焊缝成形更会破坏双侧激光焊接的稳定性，从而形成焊接缺陷。

发明内容

本发明为了解决由双侧激光焊接熔池流场特性所造成的焊丝合金元素在焊缝中混合不均匀的问题，而提出一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法。

本发明提出的一种预填焊材的T型结构双激光束焊接方法，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，对蒙皮进行化学清洗以去除氧化膜和加工污渍；

步骤二、向凹槽中预填焊材：选择双侧激光焊接中使用的ER4047焊丝作为预填焊材，将焊丝从焊丝盘引出并先后穿过刮削筒和电阻加热筒，导轮和碾压轮依次放置于凹槽上，焊丝通过导轮被送入凹槽内，随后碾压轮对凹槽内的焊丝进行碾压使其镶嵌于凹槽内，预填焊材与凹槽表面紧密配合无孔隙，且预填焊材上表面与蒙皮上表面重合，完成预填焊材过程，碾压轮的宽度d大于凹槽的最大宽度L₁；

步骤三、对长桁与蒙皮进行双激光束焊接：将长桁沿凹槽的竖直中心线放置于预填焊材上，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，长桁和蒙皮的厚度均为2mm～3mm，双激光束的激光功率为2500W～3500W，双激光束的入射角度为20°～35°，焊接速度为2m/min～12m/min，采用惰性气体对双侧激光焊缝进行实时保护，保护气的气流量为10L/min～20L/min，对长桁与蒙皮进行双激光束焊接，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，并向凹槽中预填焊材的步骤，凹槽使得焊丝元素能够在焊缝蒙皮侧内均匀混合，焊缝长桁侧与蒙皮侧中焊丝成分分布差异基本消除，最终降低了焊缝的裂纹倾向，提高了焊缝的力学性能。本发明方法能够有效解决双侧激光焊接过程中焊丝元素在焊缝中无法均匀混合的问题。

二、本发明的方法中预制的凹槽结构简单，易于加工且选择多样，可以根据具体需要选择不同界面形貌的凹槽；实验证明，合理加工凹槽不会破坏T型结构焊缝特征，能够在传统T型结构焊缝的基础上进一步提高焊缝的力学性能。