铝合金薄壁贮箱结构焊接变形预测及控制

摘要

铝合金薄壁贮箱结构是航空航天领域薄件的代表构件，广泛应用于飞行器、军工武器等方面，且作为载体，筒体本身有多种焊接，包括纵向焊缝、环向焊缝、法兰焊缝等。这些焊缝的变形直接影响后续加工及整个产品的服役寿命。因此，焊接变形预测及控制便显得尤为重要。传统做法是通过诸如正交实验等方法多次实验，确定合适的焊接工艺及焊接工装，以此达到对焊接变形进行控制的目的，这种方法成本昂贵。 本文对铝合金薄壁贮箱结构焊接变形的预测及控制进行了较深入的研究，同时本文也是上海交通大学焊接工程研究所机器人焊接智能化技术实验室与上海航天精密机械研究所联合承担的总装备部十一五预先研究项目“航天器新型铝合金结构机器人焊接技术”的重要组成部分。 本文从有限单元法的角度分析贮箱薄壁筒体纵缝、环缝、法兰焊缝的热源形式及热源加载方法。在模拟的过程中，实现了起焊停留、平稳焊接、熄弧、焊后自然冷却；提出有限元方法工装设计的一般方法，在草案设计阶段利用位移约束代替实际工装进行计算；根据得到的最优草案，确定法兰焊接工装的主要组件并最终确认工装方案；采用Pro/E进行三维造型及CAD制图；对含工装的模型进行有限元焊后变形预测，建立了含工装约束的薄壁筒体法兰焊接的热弹塑性有限元模型，处理了建模过程中的单元离散、有间隙板壳单元的连接、模型简化等问题，从理论上支持了工装的可用性；对焊接工艺进行有限元优化：在确定工装可用的前提下对焊接工艺进行了分析。通过不同起焊点进行仿真计算并对其计算结果进行分析，得出焊后变形最小的起焊点；并对焊接路径进行了分析。 最后采用机器人、激光位移传感器、采集卡、焊接变位机等设备自建测量系统，进行圆度测量，并对计算误差进行了分析，从而证明了本文利用有限元方法进行的工装设计及工艺优化结果适用于焊接变形的控制。