激光焊接技術在航空制造中的應用

來源:金屬加工(熱加工)2019年第2期    關鍵詞:激光焊接, 航空制造,    發布時間:2019-10-28

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隨著長壽命、高可靠性、低成本、高性能的設計及制造要求,越來越多的新型高性能材料、復雜結構在飛機及航空發動機設計中被廣泛應用,如整體壁板、整體葉盤/葉環、空心葉片、單晶/定向凝固葉片、粉末合金及復合材料構件等。新型高性能材料、復雜結構的擴大使用,在提高裝備性能的同時,也對包括焊接技術在內的航空制造及修理技術提出了更高的要求。

激光焊接具有能量密度高、熱輸入量低、結構變形小、無需真空環境、高質量、高精度、高效率等技術優勢,在各類金屬材料熔化焊接方法中獨占鰲頭;結合工業機器人、視覺傳感跟蹤系統、自動送絲(送粉)系統(見圖1),易于實現集成化、自動化、柔性化、批量化制造,在全球制造產業中占據越來越高的地位。近年來,隨著高功率激光器的不斷發展,激光束流品質的不斷提高,激光焊接技術實現了由傳導焊向深熔焊的根本性轉變,應用范圍進一步擴大,在航空制造及修理中重要性也不斷提高。

圖1?搭載機器人的激光填絲焊接系統

1. 激光焊接在飛機制造及修理中的應用

(1)激光焊接在飛機制造中的應用 在飛機制造領域中,激光焊接技術主要應用于飛機大蒙皮的拼接以及蒙皮與長桁的焊接,機身附件的裝配中也大量使用了激光束焊接技術,如腹鰭和襟翼的翼盒。近年來,激光焊接技術也多用于薄壁零件制造,如進氣道、波紋管等。

早在20世紀70年代初,美國已利用15kW的CO2激光器針對飛機制造業中的各種材料、零部件,進行了焊接試驗及評估工藝的標準化。美國愛迪生焊接研究所與海軍焊接中心聯合開展了戰機裝備激光焊接技術研究。意大利于20世紀70年代末從美國引進了15kW的CO2 激光器,隨后歐盟對航空發動機中的各種容器及輕量級結構立項,開展了長達8年的激光焊接應用研究,材料涉及鈦合金、鎳基、鐵基高溫合金等。英國焊接研究所(TWI)成功實現了鋁合金加筋壁板雙光束YAG激光填絲焊接,焊接質量良好,焊接變形小于TIG焊。德國宇航公司(MBB)將激光焊接用于飛機機身、機翼與內隔板和加強筋的全部連接,取代了原有的鉚接工藝,被德國宇航界稱為航空制造業中的一大技術革命。

2002年前后,空客公司采用雙光束雙側同步激光焊接工藝(見圖2),將A318鋁合金飛機機身兩塊下壁板的蒙皮與桁條焊接成整體機身壁板,減輕飛機機身的重量近20%,提高強度近20%,后續推廣應用于A380、A340、A350等多個機型的機身整體壁板制造,以及A380的艙壁門筋板以及無人駕駛飛機結構,在A350上的焊縫總長度更是達到1000m。

圖2?雙激光束雙側同步激光焊接

我國激光焊接技術研究起步于20世紀80年代,經過多年努力,已成功實現了汽車制造拼焊、管道焊接應用。隨著鋁合金、鈦合金激光焊接工藝基礎研究的深度、廣度不斷增大,已實現了部分飛機構件的激光焊接應用。

自20世紀90年代后期開始,中航工業北京航空制造工程研究所就已經開展了飛機構件激光焊接技工藝研究。2003年,在國內率先將激光焊技術應用于飛機鈦合金壁板類關鍵構件的焊接,同時在激光填絲焊接、激光電弧復合焊接、激光雙光點焊接、T形接頭激光雙光束雙側同步焊接技術等新工藝方面也進行了大量研究。2014年左右,在國產大型客機設計方案中,前機身、中后機身的部分鋁鋰合金下壁板擬采用激光焊接方案,中國商飛公司牽頭開展了工藝穩定性分析、變形控制,以及缺陷檢測與控制等相關研究工作,初步實現了試驗件級構件的激光焊接(見圖3)。

圖3?鋁鋰合金激光焊接壁板試驗件

(2)激光焊接在飛機修理中的應用 激光焊接技術具有焊接速度快、施工較鉚接簡單的特點,是代替鉚接工藝的理想技術,在飛機結構修理領域具有較大的應用優勢。國內已就激光焊接技術修理飛機構件開展了一些研究,并已實現了部分構件的修理應用。國內某飛機修理工廠已將激光焊接技術應用于飛機鈦合金機尾罩的損傷修理,并制定了鈦合金結構激光焊接修理工藝規范。2012年左右,空軍第一研究院采用機器人柔性激光切割/焊接系統,完成了某型飛機機翼鈦合金蒙皮下表面損傷部位的切割、焊接一體化修復應用研究,修復后表面光滑,結構性能完全恢復,可長期可靠工作,滿足了使用需求。

2. 激光焊接在發動機制造及修理中的應用

(1)激光焊接在發動機制造中的應用 激光焊接技術以其優異的熱源性能、極佳的變形控制優勢及較廣的材料焊接適應性,在航空發動機薄壁高精度構件焊接方面獨具優勢(見圖4),在航空高溫合金、鈦合金、鈦鋁金屬間化合物等新型材料焊接方面有較大的發展前景。國外極為重視航空構件激光焊接技術的研發與應用,歐盟第六框架研究項目AROSATEC針對壓氣機定子與葉柵、高壓和低壓葉片出口與蓋板連接,以及渦輪機匣開展了激光焊接技術研究。

圖4?航空結構件的激光焊接

美國普惠公司完成渦輪葉片所需部件的自動激光焊接,如JT9D和FLO的二級渦輪轉子葉片以及V2500、F100-PW-220、PW2037、PW4000等發動機的渦輪葉片、導向葉片、機匣及燃燒室等。美國GE公司也已成功完成了發動機導向葉片組件的激光焊接,有效地解決了鎳基合金零件激光焊接變形與裂紋等問題,并用6kW的CO2 激光設備焊接了噴氣發動機燃燒室襯套。英國R&R公司用固體激光器與機器人組合完成鈦合金和高溫合金的自動化焊接,保證了焊縫和焊接過程的一致性,減少了焊接變形,接頭殘余應力低,大大減少了校形工作量。日本JAEC的相關公司采用6kW的CO2激光設備完成了V2500發動機的風扇機匣前后段焊接。

早在20世紀90年代末期,某公司就與西北工業大學聯合攻關,開展了Inconel625高溫合金航空發動機前、后冷氣導管的激光焊接工藝研究,采用了CO2激光焊接設備,開發了從焊前清洗、裝配焊接到焊后處理等全套焊接工藝,滿足了使用需求。北京航空制造工程研究所已將激光焊接技術應用于發動機鈦合金承力構件制造,并采用激光焊接技術替代板擴散連接技術,在國內率先開展了鈦合金超塑成形/激光焊的多層結構制造工藝研究。波音公司和華盛頓州立大學聯合也開發了超塑成形和激光焊接的組合工藝,通過激光焊接方法可以更加靈活的構造芯板圖案,大大提高生產效率、降低成本。

(2)激光焊接在發動機修理中的應用 發動機部件主要損傷形式有外物打傷、磨損、裂紋、燒蝕和加工缺陷等,部件材料、損傷部位、損傷形式的多樣性,決定了損傷后焊接修復的復雜性。激光焊接修復技術利于近凈成形,減少裂紋產生,大量應用于航空發動機零部件修理(見圖5、圖6)。

圖5?激光堆焊修復葉片葉冠損傷部位

圖6?激光焊接補片修理整體盤葉片

美國霍尼韋爾公司已經成功將激光焊接技術應用于Avro RJ支線噴氣系列飛機發動機LF507的葉片修理。加拿大Liburdi集團公司采用自動送絲激光焊接設備進行葉片修理,已實現了RB211發動機高、中、低壓渦輪葉片修理(見圖7),并于2001年獲得R&R公司授權專門從事RB211發動機葉片和其他部件的激光焊接修復。德國MTU公司開發了可用于風扇整體葉盤的葉片損傷修復的激光焊接技術,形成了焊接、機械加工、精密拋光和無損檢測修理規范。

圖7?自動送絲激光焊修理渦輪葉片

激光低熱輸入精密金屬沉積工藝是H&R公司的專利技術,與激光填絲焊接類似,主要是利用激光熔化金屬扁絲進行一層一層地堆積,不同的是,這種技術無需待修理件上建立熔池。美國海軍和空軍已將該技術成功地應用于受損整體葉盤修理,使修理時間縮短、精度提高、費用減少、壽命延長,并在T700發動機壓氣機第1級整體葉盤上得到驗證。在此基礎上,H&R公司針對普惠公司F135發動機修理,完成了相關的高循環疲勞試驗和評估,達到與T700發動機壓氣機整體葉盤相同的修理水平。

國內在激光增材修復技術方面開展了較多的研究,已完成了多種結構、材料發動機構件的修理驗證,但在激光焊接修理應用研究相對較少。中科院金屬所采用激光顯微焊進行原位無損修復,該技術具有可獲得內應力最小、空間界面結合最好、缺陷立體修復區最小的優點,已成功應用于我國研制的某機空心導向葉片的鑄造工藝孔修復,以及低壓渦輪1、2級三聯體無余量精鑄導向器葉片大小安裝板上的疏松、縮孔與裂紋等缺陷的修理,通過了裝機臺架試車考核。沈陽發動機設計研究所和沈陽黎明公司聯合開展了某型發動機高壓渦輪工作葉片葉尖裂紋激光焊修理技術研究,通過了300h熱沖擊試驗考核,符合大修葉片故檢標準,滿足了使用要求。沈陽黎明航空發動機公司針對發動機主機點火導線深度修理需求,開展了激光焊接修理工藝研究,先后完成6件試驗件級修理驗證,形成正式修理工藝,完成了兩臺點火導線修理應用,修理后的點火導線外觀及各項電氣性能均合格,并通過了試車。在修復某型發動機中介機匣時,對固連環形殼體與支撐板氬弧焊焊縫上的裂紋實施了激光補焊,焊縫成形良好,前后變形量符合要求。

3. 幾點建議

(1)加快關鍵焊接設備自主研發 學習國外先進激光器研制經驗,引進、消化、吸收、再創新,加快適用于航空裝備產品特點的高功率、高光束質量激光器,以及自動送絲、視覺跟蹤、在線檢測等配套系統的自主研發。

(2)增大激光焊接技術研究深度 建立穩固的校企、研究所合作研發關系,以制造企業應用需求為導向,增大激光焊接技術基礎研究深度,如氣孔、裂紋等缺陷形成機制及抑制、接頭表面完整性及可靠性評估等,開發適用于高溫、復雜應力等苛刻環境服役需求的修理用焊接材料,滿足高質量、高精度焊接修理要求的工藝配套技術、修理前后處理技術。

(3)重視新型材料焊接工藝開發 積極開展高強高溫鈦合金、新型高溫合金、鈦鋁系金屬間化合物、單晶/定向/粉末高溫合金等新型航空材料的激光焊接工藝開發,形成涵蓋材料焊接性、工藝、接頭組織及性能的工藝數據儲備,建立相應的激光焊接工藝流程。

(4)加快新型焊接技術應用研究 針對航空產品材料及設計結構特點,加快適用于航空制造及修理需求的新型激光焊接方法應用研究,如激光填絲自動焊、長焦距激光焊、激光復合焊及雙光束(填絲)焊等。

(5)擴寬激光焊接工藝應用廣度 借鑒國外航空制造成功經驗,建立設計-材料-制造的一體化研發模式,推進激光焊接技術在航空飛機及發動機典型構件上的工程應用,如飛機整體壁板、腹鰭和襟翼等,發動機的各種薄壁機匣、燃燒室部件、葉片等復雜、精密構件,以及加力筒體、擴散器等簡單焊接結構件等。

(6)建立完善的工藝質量標準體系 結合新材料、新結構、新方法及新產品研制及應用進展,逐步建立和完善我國激光焊接工藝、質量標準體系,同時建立并不斷完善焊接工藝數據庫。

(7)加快自動化、智能化進程 結合工業機器人系統、自動送絲系統、視覺傳感跟蹤系統、焊接質量在線檢測、評估及實時控制系統,助推航空產品自動化、智能化制造實現,提升激光焊接工藝自適應控制能力及生產效率。

來源:金屬加工(熱加工)2019年第2期

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