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焊接

讓光聚焦一點,實現(xiàn)“三大轉(zhuǎn)變”——航天三江紅陽公司激光焊接技術(shù)發(fā)展紀實

rongpuiwing 來源:激光制造網(wǎng)2018-11-13 我要評論(0 )   

申請發(fā)明專利21項,其中11項已獲授權(quán),獲得航天三江科技成果獎2項,編寫國防科技報告9篇,激光焊接領(lǐng)域國家標準1項、航天行業(yè)標

申請發(fā)明專利21項,其中11項已獲授權(quán),獲得航天三江科技成果獎2項,編寫國防科技報告9篇,激光焊接領(lǐng)域國家標準1項、航天行業(yè)標準1項、航天三江標準2項,QC成果獲國優(yōu)、省優(yōu)各1項,五小成果獎20余項,這是近三年航天三江紅陽公司激光焊接攻關(guān)團隊交出的答卷。

2012年,紅陽公司與某國家重點實驗室合作研發(fā)激光機器人焊接系統(tǒng),正式踏足激光焊接領(lǐng)域。到如今也才過去6年,紅陽公司已經(jīng)成長為擁有激光焊接、切割、增材制造設(shè)備,以及先進焊接技術(shù)湖北省重點實驗室研發(fā)平臺和全國示范院士專家工作站的高新技術(shù)企業(yè)。

讓“高不可攀”變成“唾手可得”

隨著型號發(fā)展,高溫合金、高溫鈦合金、超高強度鋼等高強、耐熱材料在型號產(chǎn)品中使用量逐年增多,傳統(tǒng)的焊接方法局限性日益凸顯?!耙欢ㄒ耆莆占す夂附舆@項新型技術(shù)”這既是公司領(lǐng)導(dǎo)的要求,也是公司適應(yīng)時代發(fā)展轉(zhuǎn)型升級必將啃下的“硬骨頭”。

近三年來,公司技術(shù)攻關(guān)團隊開展多項特種異性材料的激光焊接工藝研究,實現(xiàn)了母材的等強連接,與母材相比焊縫室溫強度、塑性不降低,高溫強度不降低,焊接質(zhì)量達到I級焊縫質(zhì)量要求,相應(yīng)產(chǎn)品通過靜力試驗、熱力試驗以及飛行驗證實驗考核。

在特種異種材料激光焊接領(lǐng)域,最怕出現(xiàn)的問題就是不同的合金元素互熔造成沉淀析出。但難關(guān)是躲不過去的,只有攻克它才能掌握這項技術(shù)。項目攻關(guān)團隊在技術(shù)負責(zé)人王維新的帶領(lǐng)下,經(jīng)過近五十天連夜奮戰(zhàn),經(jīng)過焊縫強度、塑性、微觀組織/斷口SEM形貌等一系列檢測分析,充分論證了異種鈦合金材料的可焊性和焊接穩(wěn)定性,相應(yīng)型號產(chǎn)品通過飛行試驗驗證考核,在國內(nèi)首次實現(xiàn)了高溫鈦合金與常規(guī)鈦合金材料體系在蒙皮骨架舵翼產(chǎn)品上的工程化應(yīng)用。

公司激光技術(shù)攻關(guān)團隊中“心高氣傲”的小伙子們才不會滿足于掌握技術(shù),降本增效、工藝優(yōu)化才是他們的目標。通過異種材料激光焊接工藝研究,公司成功地實現(xiàn)了低成本材料在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上的替換使用,為型號產(chǎn)品提供了一種低成本制造方法,在保證表面耐熱和結(jié)構(gòu)承力雙重要求的同時減少了高溫鈦合金用量,累計節(jié)約制造成本40%以上,也為設(shè)計人員在高溫服役環(huán)境下的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了更廣闊的設(shè)計空間,工藝研究過程對更多異種材料體系焊接具有較好的指導(dǎo)意義。曾經(jīng)顯得“高不可攀”的特種、異種的高溫合金焊接,在激光焊接技術(shù)支持下變得“唾手可得”。

讓“輕如鴻毛”變成“穩(wěn)如泰山”

航天產(chǎn)品的大型化必然導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化,其中典型代表就是柵格舵。柵格舵與以往傳統(tǒng)笨重的單翼面相比,有升力效率高、氣動阻尼大、氣動特性好等優(yōu)點,極大節(jié)省了產(chǎn)品的有效載荷,2016年,航天三江在國內(nèi)率先提出將柵格舵控制技術(shù)用于應(yīng)急空間飛行器型號中。

紅陽公司承接了此型號大尺寸柵格舵組件的研制,當時世界上只有俄羅斯有能力使用激光焊接?xùn)鸥穸?。作為國?nèi)第一個“吃螃蟹”的人,將“輕如鴻毛”的柵格焊接成“穩(wěn)如泰山”的結(jié)構(gòu)舵難度是巨大的,公司領(lǐng)導(dǎo)對項目組的要求只有八個字“敢想敢做、敢作敢當”。

針對柵格舵的結(jié)構(gòu)特點,項目組創(chuàng)造性地提出了柵格片之間的“X”型插接、“L”型對接以及“V”型搭接的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,設(shè)計了適應(yīng)激光焊接的定位焊、連續(xù)焊以及去應(yīng)力退火等高精度約束工裝,攻克了焊接變形與焊縫質(zhì)量控制等一系列關(guān)鍵技術(shù),在國內(nèi)首次實現(xiàn)了復(fù)雜網(wǎng)狀薄壁柵格舵組件的激光焊接。

知其然還要知其所以然,刨根問底的“倔脾氣”是項目組成員的“通病”。項目組通過大量實驗,首次研究證實了近間距大厚度焊接熔池下塌的缺陷機理,在充分考慮了激光焊接工藝參數(shù)以及激光束對縫偏差等因素的前提下,通過改進接頭形式和增加小功率激光連續(xù)出光定位焊接等措施,徹底解決了柵格舵關(guān)鍵承力接頭激光焊接存在的技術(shù)難題。精益求精,不給自己設(shè)定“上限”是項目成員的共識。公司全面系統(tǒng)的提出了薄壁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的焊接變形控制措施,通過焊接仿真模擬分析,采取控制裝配精度、優(yōu)化焊接順序等手段,減小了結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)應(yīng)力,焊接產(chǎn)品的整體性能優(yōu)于設(shè)計要求,變形控制到達國內(nèi)領(lǐng)先水平。

經(jīng)過近2年的技術(shù)研究,形成了一系列創(chuàng)新性成果,填補了國內(nèi)工作環(huán)境惡劣、承力要求高的柵格舵翼激光焊接制造關(guān)鍵技術(shù)空白。此型號柵格舵組件產(chǎn)品順利通過了靜力試驗、風(fēng)洞試驗和飛行試驗考核,在已成功發(fā)射2次的“快舟”系列固體運載火箭上就有它的身影。

讓“盲人摸象”變成“一覽無余”

智能化、自動化是現(xiàn)代制造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢,各類仿真軟件在生產(chǎn)制造中也扮演著愈來愈重要的作用。一些以前忽視的應(yīng)力集中點在工藝仿真下變得“一覽無余”,通過預(yù)判可能出現(xiàn)的焊接缺陷,對焊接工藝提供了大量有效指導(dǎo)。用一款仿真軟件還不放心,項目組成員找來多款仿真軟件輪番上陣,力求無死角,大大減少了實驗次數(shù)、縮短了研制周期,降低了研制費用。

今年協(xié)外項目中航空無人機采用鈦合金框梁結(jié)構(gòu),外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、載荷與疲勞壽命要求極高,鑄造工藝難以實現(xiàn),分體件增材制造加激光焊接成形方案成為了不二選擇。3D打印鈦合金典型艙段可拆分為57項零件,焊縫數(shù)量有760多條,要求成形精度不大于2mm,焊接變形控制難度非常大。公司項目攻關(guān)團隊并沒有望而生畏,決定拋棄傳統(tǒng)的實物試驗與檢測分析,以產(chǎn)品三維模型與相應(yīng)的工藝手段為基礎(chǔ),對產(chǎn)品接頭形式、焊接參數(shù)、焊接次序、工裝約束等開展仿真模擬計算,預(yù)先評判工藝方案的可行性,保證以最佳工藝方案進行產(chǎn)品試驗件的試制。產(chǎn)品最終成形精度控制在0.8mm以內(nèi),承載性能通過試驗考核,在國內(nèi)首次實現(xiàn)了鈦合金3D打印材料激光焊接工藝在航空無人機主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用,典型艙段激光焊接質(zhì)量與成形度獲得客戶好評。

今年某型號產(chǎn)品中防塵擋圈采用0.3mm錫青銅薄板進行成形,面對只有三張紙厚的錫青銅,傳統(tǒng)的電阻焊、儲能點焊、銅銀釬焊等紛紛敗下陣來,熔核強度過低或焊接變形過大的問題始終未能解決,激光焊接技術(shù)項目組挺身而出,扮演起了“救火隊長”的角色。針對薄如紙片的特種材料,項目組采取一系列工藝仿真優(yōu)化措施實施后,試焊產(chǎn)品經(jīng)過X射線檢測與力學(xué)性能檢測,焊接質(zhì)量滿足I級焊縫要求,并且產(chǎn)品焊接變形量可控,最終產(chǎn)品順利交付。

既要埋頭干事,也要抬頭看路,今年,公司開創(chuàng)性地提出以機器視覺為核心的智能焊接生產(chǎn)技術(shù),以新思維新技術(shù)大力解決激光焊接中的“老大難”。該視覺系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)來獲取焊接對象的三維形狀及位置信息,同時結(jié)合高動態(tài)范圍成像技術(shù)來消除金屬構(gòu)件表面的高光反射率造成的“高亮”現(xiàn)象,實現(xiàn)對焊縫坐標位置的快速識別及離線編程,同時做到對焊接過程的在線監(jiān)測及動態(tài)跟蹤補償,解決弱剛性構(gòu)件因焊接變形導(dǎo)致預(yù)設(shè)軌跡偏差問題。目前,基于機器視覺的智能焊接技術(shù)研究工作已經(jīng)啟動,預(yù)計到2019年可實現(xiàn)原理樣機的研制。

今年十月底,從全國焊接標準化技術(shù)委員會第七屆三次會議上傳來喜訊,公司編制的國家標準《高溫鈦合金激光焊接技術(shù)要求》順利通過審查,在激光焊接的領(lǐng)域,紅陽人一直在大步向前。

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激光焊接紅陽公司激光機器人
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