铝锂合金T型构件双激光束焊接机构开发及工艺变形分析

摘要

本文以机身壁板T型接头入手，自主设计研制适合机器人双光束激光焊接过程的焊接执行端和辅助焊接夹具，焊接执行端可实现送气、送丝装置的精确调节，调节范围 0-30mm，还可实现送气、送丝装置的三维方向准确位置调节，调节范围 0°-90°，送丝、送气装置分别位于焊接熔池的前面及后面，且三者在同一平面内，设计预留滚压装置接口，可适用非平面及复杂曲面机身壁板的 T 型接头双光束激光焊接，入射角度调整范围为20°-90°，包括激光器系统、焊丝输送系统、保护气系统、焊缝跟踪监测系统、焊缝滚压系统等。工装夹具实现随焊移动加紧固定方式，与机器人手臂直接结合实现被焊接零件的定位与刚性固定，有效简化完全固定式夹具繁琐安装操作方式，实现被焊零件的灵活加紧固定，有效控制焊接变形和生产效益。 对1.5mm厚2A97-T3铝锂合金无填充焊丝T型接头进行双光束激光焊接工艺工艺试验研究，探讨激光功率P与焊接速度v对T型焊缝成形、焊接缺陷、应力变形及组织性能的影响规律。结果表明：激光功率和焊接速度综合以热输入的方式影响焊接质量，当光束入射角度50°，同轴和侧吹保护气用 20 L/min流量氩气，在P=1200W、v=2.5m/min、焊接热输入为0.29 k J·cm-1获得无缺陷的焊缝，T型接头由蒙皮与桁条母材区、热影响区及焊缝区组成，焊缝区形成柱状晶和细晶粒组织特征。焊缝区显微硬度曲线呈 U 型分布，母材区硬度最高约为120 HV0.1，焊缝区由于原组织中沉淀相溶解导致硬度下降，出现明显的软化现象硬度约为 75 HV0.1，仅为母材的66.6%。 采用大型有限元软件ABAQUS建立了2A97-T3铝锂合金T型接头三维热力耦合应力变形有限元模型，分析其焊接热循环及应力变形场变化规律。结果表明；由于蒙皮与桁条的双向热传导作用，焊接加热与冷却速度明显很大、高温作用区域很小；且由于焊接辅助夹具的刚性固定导致焊接变形很小，模拟结果与工艺试验结果变形趋于一致，均发生角变形。将纵向残余应力模拟结果与最佳工艺参数下实际测量结果进行比较，证实模拟结果的有效性。

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