航炮零部件激光填丝焊熔覆一体化加工系统研发与工艺研究

摘要

航空机关炮因战斗力强、适合视距内空中格斗等优点，被广泛应用于战斗机上。炮身等零部件焊接质量影响作战性能，常用氩弧焊工艺存在变形量大、接头粗大、焊缝截面不饱满等问题。送弹滑板等零部件的磨损影响射击精度和服役寿命，常用等离子熔覆工艺存在热辐射大、熔覆层耐磨性较差等问题。可以用激光填丝焊和熔覆技术来改善，而现有激光加工设备安全性能不高、自动化程度低，并且只具备单一填丝焊或熔覆功能。针对上述问题，本文结合航炮零部件结构特点和加工工艺，开展激光填丝焊熔覆一体化加工系统研发及工艺研究，主要研究内容如下：
　　首先：从功能性、安全性、智能化、辅助加工系统几方面对系统结构进行设计，完成了多自由度机械运动单元、送丝及送粉系统、焊缝监测系统、安全系统、一键启停系统、监控系统、自动换头系统和气路系统、水冷系统的设计；对整个系统进行中央控制设计，完成了自动、手动两种操作模式和PLC程序，填丝焊、熔覆程序的设计。并进行加工系统集成设计，完成了系统布局的设计。
　　其次：基于一体化加工系统对炮身材料4mm厚TC4钛合金进行激光填丝拼焊实验，研究工艺参数对焊缝成形和接头性能的影响。研究表明：固定其他因素不变，一定范围内，随激光功率增加，焊缝熔深和熔宽呈增长趋势，熔深增幅较大；随送丝速度增加，熔深呈先增后降的趋势，焊缝表面堆高明显增加。随拼焊间隙、焊接热输入增大，接头的抗拉强度均呈现先升后降的趋势，过高的焊接热输入导致晶粒变粗大；拼焊间隙0.2mm和焊接热输入120 J.mm-1时的接头抗拉强度分别达到最大值，较母材分别提高了4.3％和7.45%。
　　最后：基于激光填丝焊熔覆一体化加工系统在送弹滑板材料18Cr2Ni4WA钢表面激光熔覆制备Ni60涂层，研究工艺参数对熔覆层宏观形貌、截面尺寸、稀释率和显微硬度的影响，并对比分析熔覆层与基体的耐磨性。研究表明：在一定范围内，增大激光功率，熔覆层尺寸、稀释率均呈现增大的趋势，晶粒变粗大，硬度呈降低趋势；送粉速度加快，熔覆层高度呈增大趋势，稀释率变小，晶粒细化，硬度呈增大趋势；熔覆层组织由内及表依次为平面晶-胞状晶-柱状晶-等轴晶。熔覆层的相对耐磨性是基体的4.58倍。

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第一章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 航空机关炮的研究现状

1.3 激光填丝焊技术的研究现状

1.4 激光熔覆技术的研究现状

1.5 激光填丝焊熔覆一体化设备的研究现状

1.6 课题来源及研究内容

第二章激光填丝焊及熔覆理论研究

2.1 激光填丝焊

2.2 激光熔覆

2.3 本章小结

第三章激光填丝焊熔覆一体化加工系统研发

3.1系统总体设计

3.2系统结构设计

3.3系统控制设计

3.4系统集成设计

3.5本章总结

第四章炮身TC4钛合金激光填丝焊工艺研究

4.1引言

4.2实验方案设计

4.3工艺参数对焊缝成形的影响

4.4工艺参数对接头性能的影响

4.5本章小结

第五章送弹滑板18Cr2Ni4WA合金钢激光熔覆工艺研究

5.1引言

5.2实验材料及研究方法

5.3实验结果与分析

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文