3D 航空航天焊接中的機(jī)器人激光焊接機(jī)

3D 機(jī)器人激光焊接機(jī) 是目前常用的一種新型焊接方法。 3D 機(jī)器人激光焊接機(jī)由“焊接工作臺(tái)”和“焊接機(jī)械臂”兩部分組成。 3D 激光焊接機(jī)器人將發(fā)射的激光束耦合進(jìn)光纖，然后利用平行光束聚焦到產(chǎn)品上進(jìn)行連續(xù)焊接，焊接中光線的連續(xù)性使焊接的實(shí)際效果更強(qiáng)，焊縫更加精致美觀。

3D 機(jī)器人激光焊接機(jī)可以達(dá)到焊接速度快、變形小、無(wú)氣泡等實(shí)際效果。同時(shí)，在焊接過(guò)程中， 3D 激光焊接機(jī)器人可以對(duì)產(chǎn)品難以觸及的部位采用非接觸式激光焊接，操作使用更加靈活方便；另外，焊接機(jī)還配備了 CCD 攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，使焊接定位更加準(zhǔn)確，焊接過(guò)程中可以方便的觀察到焊點(diǎn)的能量分布，大大提高了焊接產(chǎn)品的美觀度；同時(shí)， 3D 機(jī)器人激光焊接機(jī)還可以幫助企業(yè)在生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，還可以同時(shí)加工產(chǎn)生多束激光，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

飛機(jī)焊接

采用焊接整體機(jī)身壁板替代傳統(tǒng)的鉚接機(jī)身壁板，可以大大減輕部件重量、降低制造成本、提高生產(chǎn)效率，因此成為大型民機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。由于雙激光束焊接對(duì)蒙皮長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)減重效果更加明顯，同時(shí)對(duì)于復(fù)雜部件具有更好的空間可達(dá)性，因此受到了廣泛的關(guān)注。目前，空客等航空航天制造公司在其眾多機(jī)型上均采用了激光焊接整體機(jī)身壁板制造技術(shù)。但以焊接為基礎(chǔ)的整體機(jī)身壁板制造技術(shù)是當(dāng)代民機(jī)制造技術(shù)的難點(diǎn)之一。目前，大型客機(jī)設(shè)計(jì)中機(jī)身壁板的新型鋁合金焊接技術(shù)在可制造性方面有其自己的特點(diǎn)。

飛機(jī)焊接激光焊接機(jī)器人

機(jī)器人因其重復(fù)性高、可靠性好、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)被應(yīng)用于各行各業(yè)。目前，航空航天產(chǎn)品的制造過(guò)程仍屬于勞動(dòng)密集型、工序復(fù)雜、勞動(dòng)條件惡劣，輔以大量的工裝夾具和手工制造，自動(dòng)化生產(chǎn)能力不足成為制約武器裝備可靠性和生產(chǎn)能力提升的瓶頸。在大力發(fā)展航空航天的時(shí)代，航空航天制造企業(yè)將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)、先進(jìn)裝備制造能力提升具有重要意義。焊接是航空航天產(chǎn)品正式制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，焊接機(jī)器人在這里發(fā)揮的作用極其重要。

鋁合金激光焊接性概述

自第一個(gè)誕生以來(lái) 激光焊接機(jī) 1960年以后，激光焊接技術(shù)得到了迅速發(fā)展，1965年研制出用于焊接厚膜元件的紅寶石激光焊接機(jī)，1974年在福特汽車公司制造出世界上第一臺(tái)五軸激光加工機(jī)——龍門式激光焊接機(jī)，后來(lái)美國(guó)福特汽車公司研制出激光焊接生產(chǎn)線。如今，可用于焊接的激光發(fā)生器已由第一代激光發(fā)生器發(fā)展到現(xiàn)在的 CO2 激光焊接的發(fā)展歷史可謂從氣體激光器到Y(jié)AG固體激光器，以及最新的光纖激光器。激光焊接最大的優(yōu)點(diǎn)是能量集中，導(dǎo)致焊接接頭的長(zhǎng)寬比大，焊接變形小。隨著激光光束質(zhì)量的不斷提高，激光焊接現(xiàn)已成為一種成熟的焊接方法，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的不同領(lǐng)域。

鋁合金密度小、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能高、比強(qiáng)度和比剛度高，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的理想材料。近年來(lái)，雖然鈦合金、復(fù)合材料等新材料在航空航天工業(yè)中受到廣泛重視，但是由于鋁具有資源豐富、性能優(yōu)良、易加工、成本低等一系列優(yōu)勢(shì)，以及傳統(tǒng)鋁合金的不斷發(fā)展和新型鋁合金(如鋁鋰合金)的不斷涌現(xiàn)，可以預(yù)見，鋁合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍將具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。因此鋁合金焊接技術(shù)成為重要的技術(shù)關(guān)鍵。利用激光焊接技術(shù)連接鋁合金航空構(gòu)件，具有焊縫深寬比大、焊接熱影響區(qū)小、焊接變形小、焊接速度快等諸多優(yōu)勢(shì)，但是鋁合金激光焊接存在一定的技術(shù)難點(diǎn)。

大型客機(jī)機(jī)身壁板激光焊接方案詳解

在大型客機(jī)機(jī)身蒙皮長(zhǎng)桁的激光焊接部件中，單條焊縫的長(zhǎng)度可能超過(guò)4m，同時(shí)由于蒙皮和長(zhǎng)桁都很薄，焊接過(guò)程的穩(wěn)定性是焊接生產(chǎn)能否有效保持成功的關(guān)鍵之一。在該解決方案中，采用雙激光束同時(shí)在蒙皮內(nèi)側(cè)兩側(cè)進(jìn)行焊接。為了保持外蒙皮的完整性，焊接過(guò)程不能穿透蒙皮，而T型結(jié)構(gòu)也不需要過(guò)分強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)寬比。關(guān)鍵是形成連續(xù)、無(wú)缺陷、高性能的焊接接頭。因此，激光深熔焊接時(shí)必須保持小孔和熔池的穩(wěn)定性。

主要從兩個(gè)方面考慮：一方面，從焊接工裝及設(shè)備保障的角度，需要保持高精度的裝夾和激光聚焦定心，在工件的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持較高的重復(fù)性。 3D 機(jī)器人激光焊接機(jī)對(duì)焊接頭的控制。定位精度和軌跡定位精度，必要時(shí)可選用合適的跟蹤系統(tǒng)；另一方面，由于液態(tài)鋁合金流動(dòng)性好，表面張力低，熔池穩(wěn)定性差，同時(shí)鋁的電離能低，焊接過(guò)程輕。等離子容易發(fā)??生過(guò)熱和膨脹，也導(dǎo)致焊接穩(wěn)定性差。因此應(yīng)從焊接冶金學(xué)角度進(jìn)行研究。

1. 鋁合金對(duì)激光束的初始表面反射率非常高（對(duì)于 CO2 激光器的熔化率接近80%（YAG激光器接近XNUMX%），這就要求熔池形成前激光功率要較大；

2、鋁合金激光焊接由于受冶金、工藝等多重因素的影響，較容易產(chǎn)生氣孔；

3、鋁合金是典型的共晶合金，在激光焊接快速凝固條件下更容易產(chǎn)生熱裂紋；

4、激光焊接間隙適應(yīng)性小，焊件裝配精度高；

5、鋁合金線膨脹系數(shù)較大，易產(chǎn)生焊接變形；

6、鋁合金熱導(dǎo)率較大，冷卻時(shí)間短，熔池冶金反應(yīng)不充分，易產(chǎn)生缺陷；

7、液態(tài)鋁合金流動(dòng)性好，表面張力小，熔池穩(wěn)定性差。

激光焊接技術(shù)是航空航天制造中焊接鋁合金最有效的方法

激光焊接技術(shù)仍是航空航天領(lǐng)域鋁合金焊接最有效的方法之一。隨著不斷的實(shí)驗(yàn)和研究，激光焊接逐漸顯示出其良好的工藝性能和焊后力學(xué)性能。與傳統(tǒng)的TIG焊、MIG焊相比，激光焊接具有焊接質(zhì)量高、精度高、速度快的特點(diǎn)，是目前發(fā)展最快、研究最多的方法之一。近年來(lái)，國(guó)際上許多科研人員對(duì)鋁合金激光焊接進(jìn)行了大量的研究，逐漸形成了較為可靠的鋁合金激光焊接技術(shù)。

與傳統(tǒng)鉚接機(jī)身壁板相比，激光焊接機(jī)身壁板減重效果明顯，可提高連接件性能，具有降低制造成本、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)。但激光焊接產(chǎn)生的應(yīng)力集中和變形問(wèn)題在鉚接工藝中并不存在。大型客機(jī)機(jī)身壁板激光焊接工藝是一個(gè)尺寸大、厚度小、焊縫多的復(fù)雜焊接工藝，其變形過(guò)程十分復(fù)雜。

火箭焊接

發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭的心臟，惡劣的工況對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)提出了嚴(yán)酷的要求。噴管體區(qū)需承受尾焰氣流的沖擊和強(qiáng)烈振動(dòng)，高速噴流速度超過(guò)4馬赫。噴管延長(zhǎng)段內(nèi)外層間距僅有1mm，堪稱一片冰火兩重天：夾層內(nèi)部流淌著-100℃以下的低溫燃料，夾層外部則是3000℃以上的超音速尾焰，夾層需要承受幾十甚至上百個(gè)大氣壓的沖擊以及由此引起的強(qiáng)烈振動(dòng)；一系列嚴(yán)苛的要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)焊接質(zhì)量提出了巨大的挑戰(zhàn)。

火箭焊接激光焊接機(jī)器人

3D 機(jī)器人激光焊接機(jī)作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)本體與噴管延伸段的焊接方法具有諸多優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管延伸段分為：再生冷卻型、輻射冷卻型、排氣冷卻型、燒蝕冷風(fēng)型。真空釬焊是銑槽再生冷卻噴管夾層結(jié)構(gòu)常規(guī)的焊接方法，此方法焊縫強(qiáng)度一般，操作規(guī)程復(fù)雜，焊接需要在真空環(huán)境下進(jìn)行，焊接過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，對(duì)操作人員技術(shù)水平要求比較高，且制造周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本較高。經(jīng)過(guò)分析論證，激光焊接是銑槽再生冷卻噴管夾層結(jié)構(gòu)焊接的首選方法，具有制造周期短、自動(dòng)化程度高、環(huán)保要求低等諸多優(yōu)點(diǎn)，可大大縮短火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管研制周期（可壓縮至10小時(shí)），降低噴管制造成本，從而有效降低火箭發(fā)射成本。