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3D 航空航天焊接中的機器人激光焊接機

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

3D 機器人激光焊接機可以達到焊接速度快、變形小、無氣泡等實際效果。同時，在焊接過程中， 3D 激光焊接機器人可以對產(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，焊接機還配備了 CCD 攝像頭實時監(jiān)控系統(tǒng)，使焊接定位更加準確，焊接過程中可以方便的觀察到焊點的能量分布，大大提高了焊接產(chǎn)品的美觀度；同時， 3D 機器人激光焊接機還可以幫助企業(yè)在生產(chǎn)上實現(xiàn)自動化，還可以同時加工產(chǎn)生多束激光，實現(xiàn)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

飛機焊接

采用焊接整體機身壁板替代傳統(tǒng)的鉚接機身壁板，可以大大減少部件的w8，降低制造成本，提高生產(chǎn)效率，因此成為大型民機制造技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。由于雙激光束焊接對蒙皮長桁結(jié)構(gòu)有更明顯的w8減量化效果，同時對于復(fù)雜部件有更好的空間可達性，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許多機型上都采用了激光焊接整體機身壁板制造技術(shù)。但以焊接為基礎(chǔ)的整體機身壁板制造技術(shù)是當代民機制造技術(shù)的難點之一。目前，大型客機設(shè)計中機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。

飛機焊接激光焊接機器人

機器人因其重復(fù)性高、可靠性好、適用性強等特點被應(yīng)用于各行各業(yè)。目前，航空航天產(chǎn)品的制造過程仍屬于勞動密集型、工序復(fù)雜、勞動條件惡劣，輔以大量的工裝夾具和手工制造，自動化生產(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)展航空航天的時代，航空航天制造企業(yè)將工業(yè)機器人應(yīng)用于自動化生產(chǎn)，對企業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級、先進裝備制造能力提升具有重要意義。焊接是航空航天產(chǎn)品正式制造過程中的重要環(huán)節(jié)，焊接機器人在這里發(fā)揮的作用極其重要。

鋁合金激光焊接性概述

自 1 世紀誕生以來激光焊接機 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，1974年在福特汽車公司制造出世界上第一臺1軸激光加工機——龍門式激光焊接機，后來美國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)點是能量集中，導(dǎo)致焊接接頭的長寬比大，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)用于國民經(jīng)濟和國防建設(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、比強度和比剛度高，是飛機結(jié)構(gòu)的理想材料。近年來，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，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，鋁合金在飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用在未來相當長的一段時間內(nèi)仍將具有不可替代的優(yōu)勢。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，但是鋁合金激光焊接存在一定的技術(shù)難點。

大型客機機身壁板激光焊接方案詳解

在大型客機機身蒙皮長桁的激光焊接部件中，單條焊縫的長度可能超過4m，同時由于蒙皮和長桁都很薄，焊接過程的穩(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，采用雙激光束同時在蒙皮內(nèi)側(cè)兩側(cè)進行焊接。為了保持外蒙皮的完整性，焊接過程不能穿透蒙皮，而T型結(jié)構(gòu)也不需要過分強調(diào)長寬比。關(guān)鍵是形成連續(xù)、無缺陷、高性能的焊接接頭。因此，激光深熔焊接時必須保持小孔和熔池的穩(wěn)定性。

主要從2個方面考慮：一方面從焊接工裝及設(shè)備保障角度，需要保持高精度的裝夾和激光聚焦定心，在工件的運動過程中保持較高的重復(fù)性。 3D 機器人激光焊接機對焊接頭的控制。定位精度和軌跡定位精度，必要時可選用合適的跟蹤系統(tǒng)；另一方面，由于液態(tài)鋁合金流動性好，表面張力低，熔池穩(wěn)定性差，同時鋁的電離能低，焊接過程輕。等離子容易發(fā)??生過熱和膨脹，也導(dǎo)致焊接穩(wěn)定性差。因此應(yīng)從焊接冶金學(xué)角度進行研究。

1. 鋁合金對激光束的初始表面反射率非常高（超過 90% CO2 激光和接近 80% 對于YAG激光器而言），需要較大的激光功率才能形成熔池；

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。隨著不斷的實驗和研究，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，是目前發(fā)展最快、研究最多的方法之一。近年來，國際上許多科研人員對鋁合金激光焊接進行了大量的研究，逐漸形成了較為可靠的鋁合金激光焊接技術(shù)。

與傳統(tǒng)鉚接的機身壁板相比，激光焊接機身壁板具有明顯的減重效果，可以提高連接件的性能，具有降低制造成本、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點。但激光焊接產(chǎn)生的應(yīng)力集中和變形問題在鉚接工藝中并不存在。大型客機機身壁板激光焊接工藝是一個尺寸大、厚度小、焊縫多的復(fù)雜焊接工藝，其變形過程十分復(fù)雜。

火箭焊接

發(fā)動機是火箭的心臟，惡劣的工況對火箭發(fā)動機的結(jié)構(gòu)提出了苛刻的要求。噴管體區(qū)需承受尾焰氣流的沖擊和強烈振動，高速噴流速度超過4馬赫。噴管延長段內(nèi)外層間距僅為 1mm這是一片冰與火的雙層天空：夾層內(nèi)部流動著-100℃以下的低溫燃料，夾層外部則是3000℃以上的超音速尾焰，夾層需要承受數(shù)十甚至數(shù)百個大氣壓的沖擊以及由此引發(fā)的強烈震動；一系列嚴苛的要求對發(fā)動機焊接質(zhì)量提出了巨大的挑戰(zhàn)。

火箭焊接激光焊接機器人

3D 機器人激光焊接機作為火箭發(fā)動機本體與噴管延伸段的焊接方法具有諸多優(yōu)點。傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機噴管延伸段分為：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，此方法焊縫強度一般，操作工序復(fù)雜，焊接需要在真空環(huán)境下進行，焊接過程難以實現(xiàn)自動化，對操作人員的技術(shù)水平要求比較高，而且制造周期長，生產(chǎn)成本較高。經(jīng)過分析論證，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、自動化程度高、環(huán)保要求低等諸多優(yōu)點，可大大縮短火箭發(fā)動機噴管研制周期（可壓縮至1小時），降低噴管制造成本，從而有效降低火箭發(fā)射成本。