一种减少T型接头焊接热裂纹的双激光束焊接方法

摘要

一种减少T型接头焊接热裂纹的双激光束焊接方法，它涉及一种双激光束焊接方法，以解决激光双侧同步焊接后造成T型接头的热裂纹缺陷的问题。方法：一、在垫板上表面中位线两侧分别加工出两个对称且尺寸相同的弧形凹槽；二、将蒙皮放置于垫板上，将待焊位置与垫板中位线重合，将长桁放置于蒙皮待焊位置上，两个压轮对称放置于长桁的两侧，每个压轮的竖向压轮中心面与其对应的弧形凹槽的竖向弧形凹槽中心面重合；三、对长桁与蒙皮进行双激光束焊接：压轮的水平压轮中位线与激光束的水平激光束中位线位于同一平面内，对长桁和蒙皮进行双侧激光填丝同步焊接，焊后获得双侧对称焊缝。本发明用于T型结构双激光束焊接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双激光束焊接方法，特别涉及一种减少T型接头焊接热裂纹的双激光束焊接方法，可以应用于飞机壁板制造过程中长桁和蒙皮的焊接过程。

背景技术

在飞机的机身筒段中存在大量的长桁-蒙皮T型结构，这种T型结构此前主要采用传统的铆接方法进行连接。然而，铆接不但生产效率低下，而且额外增加了机身的重量，降低了飞机的燃油经济性。上世纪90年代初空中客车公司率先开展了双侧激光同步焊接技术的研究，并成功利用该技术实现了对长桁-蒙皮T型结构的焊接，相比于铆接工艺，双侧激光同步焊接不仅提高了生产效率，而且大大降低了机身重量，因此更加节约燃油，降低了飞行成本。目前这一革新技术已成功应用于空中客车A318/A380等型号机身壁板的加工制造工艺上。

长桁和蒙皮由铝合金或铝锂合金轧制而成，而由于铝合金及铝锂合金具有较大的凝固温度区间和线膨胀系数，以及激光焊接时急冷急热的特点，造成在激光焊接时容易出现焊接热裂纹缺陷，从而大幅降低焊缝的承载及力学性能。为了在双侧激光同步焊接过程中合理调控焊缝组织从而抑制热裂纹等缺陷，工艺要求采用双侧对称填送焊丝的方式进行。焊接实验中发现，采用ER2319铝铜焊丝所得焊缝组织的热裂纹倾向较大，然而即使选用被公认的抑制裂纹效果最显著的铝硅焊丝(如ER4043和ER4047焊丝)依然无法完全抑制热裂纹的产生，反而降低了焊缝的力学性能。特别是沿焊接方向分布的热裂纹4使长桁1和蒙皮2组成T型结构的承载性能显著下降，热裂纹4一直扩展到焊缝组织内部，将大幅减小双侧激光焊缝3的有效承载面积从而降低焊缝强度，如图5所示。利用电镜观察双侧激光焊缝组织，发现焊缝内主要为粗大的定向生长的柱状晶且晶界偏析严重，是导致热裂纹萌生扩展的主要原因，并且难以通过优化焊接工艺参数有效地抑制热裂纹缺陷。

焊缝组织的热裂纹敏感性受焊接温度场和应力场的共同影响，而在熔池尾部金属的凝固过程中存在一个固、液相共存的脆性温度区间(BTR)，在此温度区间，金属组织的延性很小，在焊接应力场的影响下，当焊缝及其热影响区金属在BTR内承受的塑性拉应变大于其延性储备时，就容易产生焊接热裂纹。如果能在BTR内合理调控温度场和应力场，就可以达到防止热裂纹的目的。

根据以上原理，已有多种抑制焊接热裂纹的方法被提出。目前，抑制焊接热裂纹的方法主要有：随焊碾压法、双向预置应力法、随焊局部加热法及随焊局部冷却法等。以上方法通过分别调节焊接区域的应力场和温度场来抑制热裂纹缺陷，但这些方法仅适用于抑制对接接头焊缝热裂纹缺陷而并不能用于T型接头的热裂纹控制。除此之外，采用焊后激光补焊的方法虽然能够对T型接头双侧焊缝内热裂纹进行修补，但必须重复加热热裂纹附近的焊缝组织从而造成焊缝软化，并且依然容易出现新的热裂纹缺陷，进一步降低焊缝的承载性能。

发明内容

本发明为了解决激光双侧同步焊接后造成T型接头的热裂纹缺陷的问题，而提出一种减少T型接头焊接热裂纹的双激光束焊接方法。

本发明的一种减少T型接头焊接热裂纹的双激光束焊接方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、加工弧形凹槽：将垫板置于水平地面或平台上，在垫板上表面中位线两侧分别加工出两个对称且尺寸相同的弧形凹槽，两侧弧形凹槽相交的位置采用圆滑过渡，弧形凹槽的截面尺寸由凹槽宽度a、凹槽深度b和凹槽表面曲率半径R确定且凹槽深度b小于垫板高度h，其中，凹槽宽度a范围为100mm～500mm，凹槽深度b范围为10mm～50mm，凹槽表面曲率半径R范围为130mm～650mm，垫板高度h范围为20mm～70mm；

步骤二、在弧形凹槽中放置压轮：将蒙皮放置于垫板上，将待焊位置与垫板中位线重合，将长桁放置于蒙皮待焊位置上，两个压轮对称放置于长桁的两侧，每个压轮的竖向压轮中心面与其对应的弧形凹槽的竖向弧形凹槽中心面重合，压轮的竖向压轮中心面至垫板中位线之间为间距c，c＝(a/2)+(f/2)，f为圆滑过渡的宽度，长桁和蒙皮的厚度范围为2mm～4mm，压轮外形由压轮宽度e和压轮半径r确定，预先设定压轮的压轮下压量d，其中，压轮宽度e范围为10mm～30mm，压轮半径r范围为10mm～20mm，压轮下压量d范围为10mm～50mm；

步骤三、对长桁与蒙皮进行双激光束焊接：将两个焊丝对称放置于长桁两侧，两个激光束对称放置于长桁两侧，两个保护气喷嘴对称放置于长桁两侧，焊丝、激光束和保护气喷嘴的顺序为由前至后依次设置，并且使压轮的水平压轮中位线与激光束的水平激光束中位线位于同一平面内，对长桁和蒙皮进行双侧激光填丝同步焊接，其中压轮与激光束、焊丝、保护气喷嘴同步移动，即压轮中心线的移动速度与焊接速度相同，移动方向平行于焊接方向，压轮的下压量d保持不变，焊后获得双侧对称焊缝。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、由于本发明进行连续焊接步骤之前设计了双侧弧形凹槽和双侧压轮，采用双压轮随焊同步碾压，压轮在焊后冷却过程中及时地对处于脆性温度区间内的金属做横向挤压，横向挤压应变抵消了其凝固收缩产生的致裂拉伸应变，从而消除了热裂纹。本发明的抑制T型接头双侧激光焊缝热裂纹的效果显著。

二、本发明的方法能够对压轮的下压量及蒙皮回弹前焊缝上产生的拉伸应变进行精确控制，确保最大应变值处于蒙皮的弹性限度内，产生的拉伸应力不超过蒙皮的屈服强度σ_s，因此，不会破坏蒙皮的初始力学性能。

三、本发明的方法采用双压轮随焊同步碾压的方式进行，对双侧激光填丝焊接的工艺参数无限制或要求，因此双侧激光填丝焊接可以采用优化参数进行，不会降低双侧焊缝的组织的力学性能；不改变焊接温度场且不存在重复加热过程，因此不会造成焊缝的软化。

附图说明

图1是具体实施方式一的步骤一中在垫板5上表面加工弧形凹槽6的示意图；

图2是具体实施方式一的步骤二中在弧形凹槽6中放置压轮7的示意图；

图3是具体实施方式一的步骤三中对长桁1与蒙皮2进行双激光束焊接的示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是采用现有技术对长桁1与蒙皮2进行双激光束焊接，获得的焊缝具有热裂纹4，且热裂纹4一直扩展到焊缝组织内部的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式的焊接方法是对飞机壁板T型结构的焊接，该T型结构由竖直放置的长桁1与水平放置的蒙皮2焊接而成，具体焊接方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、加工弧形凹槽6：将垫板5置于水平地面或平台上，在垫板5上表面中位线N-N两侧分别加工出两个对称且尺寸相同的弧形凹槽6，两侧弧形凹槽6相交的位置采用圆滑过渡11，弧形凹槽6的截面尺寸由凹槽宽度a、凹槽深度b和凹槽表面曲率半径R确定且凹槽深度b小于垫板高度h，其中，凹槽宽度a范围为100mm～500mm，凹槽深度b范围为10mm～50mm，凹槽表面曲率半径R范围为130mm～650mm，垫板高度h范围为20mm～70mm；

步骤二、在弧形凹槽6中放置压轮7：将蒙皮2放置于垫板5上，将待焊位置与垫板中位线N-N重合，将长桁1放置于蒙皮2待焊位置上，两个压轮7对称放置于长桁1的两侧，每个压轮7的竖向压轮中心面T-T与其对应的弧形凹槽6的竖向弧形凹槽中心面S-S重合，压轮7的竖向压轮中心面T-T至垫板中位线N-N之间为间距c，c＝(a/2)+(f/2)，f为圆滑过渡11的宽度，长桁1和蒙皮2的厚度范围为2mm～4mm，压轮7外形由压轮宽度e和压轮半径r确定，预先设定压轮7的压轮下压量d，其中，压轮宽度e范围为10mm～30mm，压轮半径r范围为10mm～20mm，压轮下压量d范围为10mm～50mm；

步骤三、对长桁1与蒙皮2进行双激光束焊接：将两个焊丝9对称放置于长桁1两侧，两个激光束8对称放置于长桁1两侧，两个保护气喷嘴10对称放置于长桁1两侧，焊丝9、激光束8和保护气喷嘴10的顺序为由前至后依次设置，并且使压轮7的水平压轮中位线P-P与激光束8的水平激光束中位线Q-Q位于同一平面内，对长桁1和蒙皮2进行双侧激光填丝同步焊接，其中压轮7与激光束8、焊丝9、保护气喷嘴10同步移动，即压轮7中心线的移动速度与焊接速度相同，移动方向平行于焊接方向，压轮7的下压量d保持不变，焊后获得双侧对称焊缝12。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤二中，当长桁1和蒙皮2厚度均为2mm时，凹槽宽度a为200mm，凹槽深度b为20mm，凹槽表面曲率半径R为260mm，垫板5的高度h为35mm。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤二中，当长桁1和蒙皮2厚度均为3mm，凹槽宽度a为300mm，凹槽深度b为30mm，凹槽表面曲率半径R为390mm，垫板5的高度h为50mm。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图2～图4说明本实施方式，本实施方式是步骤二中，压轮7由橡胶制成。在压轮7行走碾压过程中不会对蒙皮2的表面造成伤害。其它步骤与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤二中，当长桁1和蒙皮2的厚度均为2mm时，圆滑过渡宽度f为10mm，压轮宽度e为10mm，压轮半径r为10mm，压轮下压量d为15mm。其它步骤与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤二中，当长桁1和蒙皮2厚度均为3mm时，圆滑过渡宽度f为10mm，压轮宽度e为20mm，压轮半径r为15mm，压轮下压量d为20mm。其它步骤与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式是步骤三中，激光束的激光功率范围为2500W～3500W，双激光束的入射角度范围为20°～35°，焊接速度范围为2m/min～12m/min，焊丝直径为1.2mm，送丝速度范围为3m/min～5m/min，采用惰性气体(Ar、He)对双侧激光焊缝进行实时保护，保护气的气流量范围为10L/min～20L/min。其它步骤与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式是步骤三中，当长桁1和蒙皮2的厚度均为2mm时，激光束的激光功率为2800W，双激光束的入射角度为20°，焊接速度为10m/min，采用Ar气对双侧激光焊缝进行实时保护，保护气的气流量为18L/min。其它步骤与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式是步骤三中，当长桁1和蒙皮2厚度均为3mm时，激光束的激光功率为3000W，双激光束的入射角度为22°，焊接速度为8m/min，采用Ar气对双侧激光焊缝进行实时保护，保护气的气流量为15L/min。其它步骤与具体实施方式七相同。

具体实施方式十：结合图3说明本实施方式，本实施方式是步骤三中的长桁(1)和蒙皮(2)的材质均为铝合金、铝锂合金或钛合金。其它步骤与具体实施方式八或九相同。