激光焊接技術在航空製造中的應用2020-08-20
隨著長壽命、高可靠性、低成本、高性能的設計及製造要求,越來越多的新型高性能材料、複雜結構在飛機及航空發動機設計中被廣泛應用,如整體壁板、整體葉盤/葉環、空心葉片、單晶/定向凝固葉片、粉末合金及複合材料構件等。新型高性能材料、複雜結構的擴大使用,在提高裝備性能的同時,也對包括焊接技術在內的航空製造及修理技術提出了更高的要求。
激光焊接具有能量密度高、熱輸入量低、結構變形小、無需真空環境、高質量、高精度、高效率等技術優勢,在各類金屬材料熔化焊接方法中獨占鼇頭;結合工業機器人、視覺傳感跟蹤係統、自動送絲(送粉)係統,易於實現集成化、自動化、柔性化、批量化製造,在全球製造產業中占據越來越高的地位。近年來,隨著高功率激光器的不斷發展,激光束流品質的不斷提高,激光焊接技術實現了由傳導焊向深熔焊的根本性轉變,應用範圍進一步擴大,在航空製造及修理中重要性也不斷提高。
幾種激光焊接方法及其應用
針對航空製造業的激光焊接技術,目前的研究主要集中於建立CO2激光和YAG激光焊接各種航空金屬材料的理論及應用,通過基礎理論的建立,輔以大量的試驗驗證,激光焊接技術已經成熟地應用於航空及武器裝備製造的諸多領域。下麵簡單介紹幾種激光焊接方法及其應用:
1. 單激光焊接
按焊接熔池形成的機理區分,激光焊接可分為兩種:熱傳導焊接和激光深熔焊。這兩種方式最基本的區別在於:前者熔池表麵保持封閉,而後者熔池則被激光束穿透成小孔。
(1)熱傳導焊接
當功率密度約為105~ 106W/cm2的激光照射在材料表麵時,一部分激光被反射,另一部分光能被材料吸收轉化為熱能使焊件表麵熔化,材料表麵層的熱以熱傳導的方式繼續向材料 深處傳遞,形成熔池,將兩焊件熔接在一起。這種焊接模式熔深淺,深寬比較小。為利用激光熱導焊為飛機某零件進行密封。
(2)激光深熔焊
當功率密度比較大(約為106~107W/cm2)的激光束照射到材料表麵時,材料吸收光能轉化為熱能,工件吸收激光後迅速熔化乃至氣化,熔化的金 屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底,使小孔不斷延伸,直至小孔內的蒸氣壓力與液體金屬的表麵張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動 時,小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向後方,凝固後形成焊縫。這種焊接模式熔深大,深寬比也大。在航空製造領域,除了微薄零件或特殊要求之外,一般均使用深熔焊。
2. 激光-電弧混合/複合焊
隨著激光焊接技術在工業中的成熟應用,激光焊接技術的不足之處也日漸顯露:設備投資、使用成本大,能量利用率低;對工件的焊接裝配精度要求高;對於 高反射率金屬難以實現激光焊接且容易對激光設備造成損壞;高焊接速度導致焊縫快速凝固,接頭中容易產生氣孔、咬邊缺陷,焊縫組織脆性,甚至焊接裂紋。
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