能源危機(jī)的持續(xù)發(fā)酵、歐盟“碳稅”的征收都必將促使航空公司對(duì)民用客機(jī)提出更加明確的減重要求。20世紀(jì)90年代起,經(jīng)過近10年的研究,空客公司成功地將雙光束激光焊接技術(shù)應(yīng)用于鋁合金機(jī)身壁板結(jié)構(gòu),替代了傳統(tǒng)的鉚接結(jié)構(gòu)(圖1),使飛機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)概念從組裝結(jié)構(gòu)過渡到整體結(jié)構(gòu)。該技術(shù)針對(duì)機(jī)身壁板的蒙皮- 長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu),利用兩臺(tái)完全相同的CO2 激光器在長(zhǎng)桁兩側(cè)進(jìn)行雙側(cè)同步焊接,該技術(shù)避免了傳統(tǒng)的單面焊雙面成形工藝對(duì)蒙皮完整性的破壞,具有極大的優(yōu)越性。有資料表明:采用該技術(shù)在不降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞壽命的前提下,能減少5%~10% 的結(jié)構(gòu)重量,并降低成本15%,提高了生產(chǎn)效率[1-3]。
雙光束激光焊接技術(shù)簡(jiǎn)述
雙光束激光焊接技術(shù)最早是由德國(guó)的Bias(不萊梅射線研究所)、Gkss(亥姆霍茲聯(lián)合會(huì))、Fraunhofer(福朗霍夫材料與射線研究所)、LZH(漢諾威激光研究所)、亞琛工大等眾多科研院所一起參與完成的。同時(shí),相關(guān)焊接設(shè)備由Schuler-held、M.torres、Rofin 等公司提供。激光焊接技術(shù)也成為了德國(guó)航空業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)之一。除了已經(jīng)研制成功的激光焊接蒙皮- 長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)以外,其他的激光焊接應(yīng)用也正處于研發(fā)階段。這些應(yīng)用包括利用機(jī)器人焊接角片、焊接Al-Mg-Sc 材料的著陸襟翼結(jié)構(gòu)以及激光焊接鋁- 鈦異種材料航空座椅滑軌[3-4]。
雙光束激光焊接技術(shù)最早用于空客A318的前機(jī)身以及中后機(jī)身兩塊壁板的生產(chǎn)制造,并在裝機(jī)之前通過了FAA(美國(guó)聯(lián)邦航空管理局)的適航認(rèn)證。圖2 為德國(guó)空客車間的雙光束激光焊接生產(chǎn)線,隨著3條焊接生產(chǎn)線的購(gòu)置安裝,焊接機(jī)身壁板于2001年在德國(guó)諾登哈姆的空客車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。另外,隨著此項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟,包括A340、A380 在內(nèi)的機(jī)型也都采用了激光焊接壁板,且壁板的數(shù)量也從開始的2塊(總計(jì)110m 焊縫),到最多使用14塊激光焊接壁板(總計(jì)約798m焊縫)??湛偷淖钚滦吞?hào)A350在設(shè)計(jì)初期也準(zhǔn)備采用激光焊接鋁鋰合金壁板,并且使用壁板數(shù)量進(jìn)一步增加;然而,波音公司的787夢(mèng)幻客機(jī)取得了商業(yè)成功,迫使A350改變?cè)杏?jì)劃,將復(fù)合材料大量應(yīng)用于機(jī)身機(jī)構(gòu)[5]。因此,A350暫不采用該技術(shù),但是可以預(yù)見在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間,金屬材料仍會(huì)在飛機(jī)的主要型號(hào)中大量使用,同時(shí)空客還在研究將此技術(shù)推廣應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身上壁板[6],因此該技術(shù)的應(yīng)用仍然值得期待。
圖4為世界最大飛機(jī)A380 客機(jī)使用雙光束激光焊接的機(jī)頭下壁板,焊接選用的材料為AA6013( 蒙皮材料)/AA6056( 長(zhǎng)桁材料),與傳統(tǒng)的6061 鋁合金相比,這兩種材料具有良好的焊接性能,材料本身具備中等強(qiáng)度,同時(shí)還具備優(yōu)異的損傷容限性能。填充材料選用流動(dòng)性較好的4047 鋁合金焊絲。 該技術(shù)對(duì)于設(shè)備的要求較高,有資料表明:空客公司的焊接設(shè)備(圖5)主要由激光焊接系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、焊接跟蹤系統(tǒng)、焊縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)和控制系統(tǒng)6部分組成[3]。其中激光焊接系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備的核心,主要用于激光的產(chǎn)生與傳輸;運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)將保證整個(gè)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度;焊接跟蹤系統(tǒng)主要用于焊縫的定位及調(diào)整;焊縫檢測(cè)系統(tǒng)用于焊接過程中焊接質(zhì)量的監(jiān)測(cè)以及焊后焊縫質(zhì)量的檢測(cè);工裝夾具系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)蒙皮與長(zhǎng)桁的裝夾定位,在激光焊接過程中由于對(duì)焊前裝配要求嚴(yán)格,必須設(shè)計(jì)一個(gè)特殊的非標(biāo)夾具用于長(zhǎng)桁的裝夾,這個(gè)夾具應(yīng)同時(shí)具備夾緊和導(dǎo)向功能,而蒙皮的夾持由全型面的真空吸附模胎實(shí)現(xiàn);而以上系統(tǒng)在集成后由中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的控制。本節(jié)只重點(diǎn)討論激光焊接系統(tǒng)的選型及比較。 在激光器的選擇方面,德國(guó)和法國(guó)的空客公司分別采用了不同類型的激光器,其中法國(guó)空客采用的是兩臺(tái)Nd:YAG固體激光器,而德國(guó)空客采用了2臺(tái)CO2激光器,而這兩種激光器在進(jìn)行這種工藝焊接時(shí)也各有特點(diǎn)。兩種激光器的比較見表1。從中可以發(fā)現(xiàn):CO2激光器的波長(zhǎng)較大,因此在焊接鋁合金過程中,激光更容易被反射;同時(shí)光斑直徑較小、光束能力分布集中、質(zhì)量較好。 展望 復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度和比模量、良好的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性和抗疲勞特性等優(yōu)點(diǎn)[7],因此復(fù)合材料的大量應(yīng)用已經(jīng)成為民機(jī)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。但以美國(guó)鋁業(yè)(Alcoa)和加拿大鋁業(yè)(Alcan)為代表的公司也積極開展新型鋁鋰合金的研發(fā),這些第3代鋁鋰合金在保持了以往鋁鋰合金密度低,比強(qiáng)度、比剛度高等優(yōu)異性能的同時(shí),還具備了材料各向異性低、損傷容限高、耐腐蝕性好及加工性能好等特點(diǎn)。因此針對(duì)這種材料開展雙光束激光焊接技術(shù)極具意義。另外,由于在飛機(jī)服役過程中,上下壁板結(jié)構(gòu)受力情況不同,將此技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)的上壁板還面臨提高整體結(jié)構(gòu)的損傷容限能力的挑戰(zhàn)。而鑒于國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展了相關(guān)技術(shù)的研發(fā)并取得初步進(jìn)展,但離最終的型號(hào)使用需求還有一段距離,變形控制及矯形技術(shù)等研究將是后期工作的重點(diǎn)。(end) |
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