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航空航天領域激光焊接機器人應用
更新時間:2014-12-24  瀏覽次數:4214  【加入收藏】

采用焊接整體機身壁板代替傳統的鉚接機身壁板可以極大地減輕構件的重量、降低制造成本、提高生產效率,因而成為大型民用飛機制造技術的發展趨勢之一。由于雙激光束焊接針對蒙皮長桁結構減重效果更為明顯,同時對于復雜構件具有較好的空間可達性,因而受到廣泛的關注。目前,空中客車等航空制造企業在其多種機型上采用了激光焊接的整體機身壁板制造技術。然而,基于焊接的整體機身壁板制造技術是當代民機制造技術中的難點之一。目前我國大型客機設計方案中的機身壁板新型鋁合金焊接技術,其工藝性有自身的特點。

機器人因其重復精度高、可靠性好、適用性強等優點應用于各行各業,而目前航空航天產品制造過程仍舊是勞動密集、工序繁復、工況惡劣、輔以大量工裝夾具并以手工制造為主。自動化生產能力不足,已成為制約提高武器裝備可靠性和生產能力的瓶頸。在我國大力發展航空航天的時代背景下,航空航天制造企業應用工業機器人進行自動化生產,對企業生產模式轉型升級、裝備先進制造能力提升具有重要意義,而焊接正式航空航天產品制造過程中重要環節,激光焊接機器人在此處扮演的角色就極其重要了。

機器人激光焊接技術在制造業市場廣闊

世界各主要工業發達國家都非常重視發揮焊接研究機構的作用,基本上都形成大學研究所企業的三級研究開發體系。各主要工業發達國家都成立了焊接研究所,如英國的焊接研究所(TWI)、美國的愛迪生焊接研究所(EWI)、法國焊接研究所(FWI)、日本的連接與溶接研究所(JRWI)、烏克蘭的巴頓電焊研究所(PEWI)、德國亞琛大學的焊接研究所(ISF)和德國焊接學會(DVS)下屬的分布在全國各地的焊接研究與培訓中心(SLV)等,而韓國的焊接研究中心是設在韓國現代科學技術研究院(KAIST)的韓國工業生產技術研究院KITCH之內。它們都屬于國家級的焊接研究機構。

機器人焊接技術未來的研究方向主要有:

1)焊接過程控制系統的智能化。電子技術、計算機微電子和自動化技術的發展,推動了焊接自動化技術的發展。特別是數控技術、柔性制造技術和信息處理技術等單元技術的引入,促進了焊接自動化技術革命性的發展;

2)開展最佳控制方法方面的研究,包括線性和各種非線性控制。最具代表性的是焊接過程的模糊控制、神經網絡控制,以及專家系統的研究;

3)焊接柔性化技術。將各種光、機、電技術與焊接技術有機結合,以實現焊接的精確化和柔性化。用微電子技術改造傳統焊接工藝裝備,是提高焊接自動化水平淡的根本途徑。將數控技術配以各類焊接機械設備,以提高其柔性化水平;

4)焊接機器人與專家系統的結合,實現自動路徑規劃、自動校正軌跡、自動控制熔深等功能;

5)提高焊接電源的可靠性、質量穩定性和控制,以及優良的動感性。開發研制具有調節電弧運動、送絲和焊槍姿態,能探測焊縫坡開頭、溫度場、熔池狀態、熔透情況,適時提供焊接規范參數的高性能焊機,并應積極開發焊接過程的計算機模擬技術,使焊接技術由“技藝”向“科學”演變。

鋁合金激光焊接性概述

自1960年第一臺激光焊接機誕生以來,激光焊接技術發展迅速。1965年研制出用于厚膜組件焊接的紅寶石激光焊接機。1974年世界上第一臺五軸激光加工機——龍門式激光焊接機在福特汽車公司建造。稍后,美國福特汽車公司研制出了激光焊接生產線。時至今日,可用于焊接的激光發生器已經由第一代的CO2氣體激光器發展到YAG固體激光器,以及最新的光纖激光器等種類。激光焊接的最大優點是其能量集中,形成焊接接頭深寬比大、焊接變形較小。隨著激光光束質量的不斷改進,激光焊接現已成為一種成熟的焊接方法,廣泛地應用于國民經濟和國防建設的不同領域。

鋁合金密度低、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能高,具有較高的比強度、比剛度,是飛機結構的理想材料。近年來,盡管在航空航天業中鈦合金、復合材料等新材料受到廣泛關注,但由于鋁的資源豐富、性能優良、加工容易、成本低廉等一系列優點,加之傳統鋁合金新的熱處理狀態不斷開發,以及新型鋁合金(如鋁鋰合金)的出現,可以預見,在今后相當長一段時間內,鋁合金在飛機結構中的應用仍具有不可取代的優勢。因此,鋁合金焊接技術就成為一個重要的技術關鍵。采用激光焊接技術連接鋁合金航空構件,具有焊縫深寬比大、焊接熱影響區小、焊接變形較小、焊接速度高等諸多優點。但是,鋁合金激光焊接存在一些技術難點。

大型客機機身壁板激光焊接方案細述

大型客機機身壁板蒙皮長桁激光焊接構件中,單道焊縫長度可能達4m以上,同時由于蒙皮和長桁都很薄,因此能否有效保持焊接過程的穩定性是焊接生產取得成功的關鍵之一。在該方案中,在蒙皮內側采用雙激光束雙側同時焊接。為了保持蒙皮外側的完整性,焊接過程不能穿透蒙皮,T型結構也不需要過于強調深寬比,形成連續、無缺陷、高性能的焊接接頭是關鍵。因此,要保持激光深熔焊接過程小孔和熔池的穩定性。

主要從兩方面考慮:一方面,從焊接工裝和設備保障的角度要保持高精度的裝夾和激光的聚焦、對中,保持機器人(或數控機床)控制焊接工作頭運動過程中有較高的重復定位精度和軌跡定位精度,必要的時候采用適當的跟蹤系統;另一方面,由于液態鋁合金流動性良好、表面張力低、熔池穩定性差,同時,鋁元素的電離能低,焊接過程中光致等離子體易于過熱和擴展,也導致焊接穩定性差,因此應該從焊接冶金的角度開展研究。

(1)鋁合金對激光束具有極高的表面初始反射率高(對CO2激光超過90%,對YAG激光接近80%),這就要求在熔池形成之前需要較大的激光功率;

(2)由于冶金和工藝等多重因素的影響,鋁合金激光焊接過程較容易產生氣孔;

(3)鋁合金屬于典型的共晶合金,在激光焊接快速凝固條件下更容易產生熱裂紋;

(4)激光焊接間隙適應性小,對焊件的裝配精度要求較高;

(5)鋁合金線膨脹系數大,易產生焊接變形;

(6)鋁合金的導熱率較大,冷卻時間短,熔池冶金反應不充分,容易導致缺陷;

(7)液態鋁合金流動性良好,表面張力低,熔池穩定性差。

激光焊接技術是航空航天領域鋁合金焊接最有效方法之一

激光焊接技術仍然是目前航空航天領域鋁合金焊接的最有效方法之一。隨著不斷地試驗和研究,激光焊接逐漸展現出其良好的工藝性能及焊后力學性能。與傳統的TIG焊、MIG焊相比,激光焊接具有焊接質量高、精度高、速度快等特點,是當前發展最快、研究最多的方法之一。近年來,國際上眾多科研人員針對鋁合金激光焊接開展了大量研究,逐步形成了較為可靠的鋁合金激光焊接技術。

激光焊接機身壁板對比傳統的鉚接機身壁板而言,具有明顯的減重效果,能改善連接部位的性能,同時具有降低制造成本、提高生產效率等多方面的優點。但是,激光焊接造成的應力集中和變形問題,卻是鉚接過程所不存在的。大型客機機身壁板激光焊接工藝屬于大尺寸、小厚度、多焊縫的復雜焊接工藝,其變形過程甚為復雜。

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