采用焊接整體機(jī)身壁板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉚接機(jī)身壁板可以極大地減輕構(gòu)件的重量、降低制造成本、提高生產(chǎn)效率，因而成為大型民用飛機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。由于雙激光束焊接針對(duì)蒙皮長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)減重效果更為明顯，同時(shí)對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件具有較好的空間可達(dá)性，因而受到廣泛的關(guān)注。目前，空中客車等航空制造企業(yè)在其多種機(jī)型上采用了激光焊接的整體機(jī)身壁板制造技術(shù)。然而，基于焊接的整體機(jī)身壁板制造技術(shù)是當(dāng)代民機(jī)制造技術(shù)中的難點(diǎn)之一。目前我國大型客機(jī)設(shè)計(jì)方案中的機(jī)身壁板新型鋁合金焊接技術(shù)，其工藝性有自身的特點(diǎn)。
機(jī)器人因其重復(fù)精度高、可靠性好、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于各行各業(yè)，而目前航空航天產(chǎn)品制造過程仍舊是勞動(dòng)密集、工序繁復(fù)、工況惡劣、輔以大量工裝夾具并以手工制造為主。自動(dòng)化生產(chǎn)能力不足，已成為制約提高武器裝備可靠性和生產(chǎn)能力的瓶頸。在我國大力發(fā)展航空航天的時(shí)代背景下，航空航天制造企業(yè)應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)、裝備先進(jìn)制造能力提升具有重要意義，而焊接正式航空航天產(chǎn)品制造過程中重要環(huán)節(jié)，激光焊接機(jī)器人在此處扮演的角色就極其重要了。
機(jī)器人激光焊接技術(shù)在制造業(yè)市場(chǎng)廣闊
世界各主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常重視發(fā)揮焊接研究機(jī)構(gòu)的作用，基本上都形成大學(xué)研究所企業(yè)的三級(jí)研究開發(fā)體系。各主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家都成立了焊接研究所，如英國的焊接研究所(TWI)、美國的愛迪生焊接研究所(EWI)、法國焊接研究所(FWI)、日本的連接與溶接研究所(JRWI)、烏克蘭的巴頓電焊研究所(PEWI)、德國亞琛大學(xué)的焊接研究所(ISF)和德國焊接學(xué)會(huì)(DVS)下屬的分布在全國各地的焊接研究與培訓(xùn)中心(SLV)等，而韓國的焊接研究中心是設(shè)在韓國現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究院(KAIST)的韓國工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)研究院KITCH之內(nèi)。它們都屬于國家級(jí)的焊接研究機(jī)構(gòu)。
機(jī)器人焊接技術(shù)未來的研究方向主要有：
1)焊接過程控制系統(tǒng)的智能化。電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)微電子和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了焊接自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。特別是數(shù)控技術(shù)、柔性制造技術(shù)和信息處理技術(shù)等單元技術(shù)的引入，促進(jìn)了焊接自動(dòng)化技術(shù)革命性的發(fā)展；
2)開展最佳控制方法方面的研究，包括線性和各種非線性控制。最具代表性的是焊接過程的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，以及專家系統(tǒng)的研究；
3)焊接柔性化技術(shù)。將各種光、機(jī)、電技術(shù)與焊接技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)焊接的精確化和柔性化。用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)焊接工藝裝備，是提高焊接自動(dòng)化水平淡的根本途徑。將數(shù)控技術(shù)配以各類焊接機(jī)械設(shè)備，以提高其柔性化水平；
4)焊接機(jī)器人與專家系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑規(guī)劃、自動(dòng)校正軌跡、自動(dòng)控制熔深等功能；
5)提高焊接電源的可靠性、質(zhì)量穩(wěn)定性和控制，以及優(yōu)良的動(dòng)感性。開發(fā)研制具有調(diào)節(jié)電弧運(yùn)動(dòng)、送絲和焊槍姿態(tài)，能探測(cè)焊縫坡開頭、溫度場(chǎng)、熔池狀態(tài)、熔透情況，適時(shí)提供焊接規(guī)范參數(shù)的高性能焊機(jī)，并應(yīng)積極開發(fā)焊接過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，使焊接技術(shù)由“技藝”向“科學(xué)”演變。
鋁合金激光焊接性概述
自1960年第一臺(tái)激光焊接機(jī)誕生以來，激光焊接技術(shù)發(fā)展迅速。1965年研制出用于厚膜組件焊接的紅寶石激光焊接機(jī)。1974年世界上第一臺(tái)五軸激光加工機(jī)——龍門式激光焊接機(jī)在福特汽車公司建造。稍后，美國福特汽車公司研制出了激光焊接生產(chǎn)線。時(shí)至今日，可用于焊接的激光發(fā)生器已經(jīng)由第一代的CO2氣體激光器發(fā)展到Y(jié)AG固體激光器，以及最新的光纖激光器等種類。激光焊接的最大優(yōu)點(diǎn)是其能量集中，形成焊接接頭深寬比大、焊接變形較小。隨著激光光束質(zhì)量的不斷改進(jìn)，激光焊接現(xiàn)已成為一種成熟的焊接方法，廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的不同領(lǐng)域。
鋁合金密度低、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能高，具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的理想材料。近年來，盡管在航空航天業(yè)中鈦合金、復(fù)合材料等新材料受到廣泛關(guān)注，但由于鋁的資源豐富、性能優(yōu)良、加工容易、成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，加之傳統(tǒng)鋁合金新的熱處理狀態(tài)不斷開發(fā)，以及新型鋁合金(如鋁鋰合金)的出現(xiàn)，可以預(yù)見，在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，鋁合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用仍具有不可取代的優(yōu)勢(shì)。因此，鋁合金焊接技術(shù)就成為一個(gè)重要的技術(shù)關(guān)鍵。采用激光焊接技術(shù)連接鋁合金航空構(gòu)件，具有焊縫深寬比大、焊接熱影響區(qū)小、焊接變形較小、焊接速度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，鋁合金激光焊接存在一些技術(shù)難點(diǎn)。
大型客機(jī)機(jī)身壁板激光焊接方案細(xì)述
大型客機(jī)機(jī)身壁板蒙皮長(zhǎng)桁激光焊接構(gòu)件中，單道焊縫長(zhǎng)度可能達(dá)4m以上，同時(shí)由于蒙皮和長(zhǎng)桁都很薄，因此能否有效保持焊接過程的穩(wěn)定性是焊接生產(chǎn)取得成功的關(guān)鍵之一。在該方案中，在蒙皮內(nèi)側(cè)采用雙激光束雙側(cè)同時(shí)焊接。為了保持蒙皮外側(cè)的完整性，焊接過程不能穿透蒙皮，T型結(jié)構(gòu)也不需要過于強(qiáng)調(diào)深寬比，形成連續(xù)、無缺陷、高性能的焊接接頭是關(guān)鍵。因此，要保持激光深熔焊接過程小孔和熔池的穩(wěn)定性。
主要從兩方面考慮：一方面，從焊接工裝和設(shè)備保障的角度要保持高精度的裝夾和激光的聚焦、對(duì)中，保持機(jī)器人（或數(shù)控機(jī)床）控制焊接工作頭運(yùn)動(dòng)過程中有較高的重復(fù)定位精度和軌跡定位精度，必要的時(shí)候采用適當(dāng)?shù)母櫹到y(tǒng)；另一方面，由于液態(tài)鋁合金流動(dòng)性良好、表面張力低、熔池穩(wěn)定性差，同時(shí)，鋁元素的電離能低，焊接過程中光致等離子體易于過熱和擴(kuò)展，也導(dǎo)致焊接穩(wěn)定性差，因此應(yīng)該從焊接冶金的角度開展研究。
（1）鋁合金對(duì)激光束具有極高的表面初始反射率高（對(duì)CO2激光超過90%，對(duì)YAG激光接近80%），這就要求在熔池形成之前需要較大的激光功率；
?。?）由于冶金和工藝等多重因素的影響，鋁合金激光焊接過程較容易產(chǎn)生氣孔；
?。?）鋁合金屬于典型的共晶合金，在激光焊接快速凝固條件下更容易產(chǎn)生熱裂紋；
?。?）激光焊接間隙適應(yīng)性小，對(duì)焊件的裝配精度要求較高；
?。?）鋁合金線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形；
?。?）鋁合金的導(dǎo)熱率較大，冷卻時(shí)間短，熔池冶金反應(yīng)不充分，容易導(dǎo)致缺陷；
（7）液態(tài)鋁合金流動(dòng)性良好，表面張力低，熔池穩(wěn)定性差。
激光焊接技術(shù)是航空航天領(lǐng)域鋁合金焊接最有效方法之一
激光焊接技術(shù)仍然是目前航空航天領(lǐng)域鋁合金焊接的最有效方法之一。隨著不斷地試驗(yàn)和研究，激光焊接逐漸展現(xiàn)出其良好的工藝性能及焊后力學(xué)性能。與傳統(tǒng)的TIG焊、MIG焊相比，激光焊接具有焊接質(zhì)量高、精度高、速度快等特點(diǎn)，是當(dāng)前發(fā)展最快、研究最多的方法之一。近年來，國際上眾多科研人員針對(duì)鋁合金激光焊接開展了大量研究，逐步形成了較為可靠的鋁合金激光焊接技術(shù)。
激光焊接機(jī)身壁板對(duì)比傳統(tǒng)的鉚接機(jī)身壁板而言，具有明顯的減重效果，能改善連接部位的性能，同時(shí)具有降低制造成本、提高生產(chǎn)效率等多方面的優(yōu)點(diǎn)。但是，激光焊接造成的應(yīng)力集中和變形問題，卻是鉚接過程所不存在的。大型客機(jī)機(jī)身壁板激光焊接工藝屬于大尺寸、小厚度、多焊縫的復(fù)雜焊接工藝，其變形過程甚為復(fù)雜。
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