CN103752651A - 焊接整体壁板激光冲击校形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接整体壁板激光冲击校形方法。该方法包括如下步骤：S1)测量变形和残余应力；S2)利用计算机确定校形量及校形路径；S3)利用计算机确定激光冲击校形强度；S4)利用激光冲击设备按计算机确定好的激光冲击校形强度和校形路径对焊接整体壁板进行激光冲击校形；S5)对焊接整体壁板进行校形检验，如果贴膜间隙超过预定间隙，则依次重复步骤S1、S2、S3、S4，逐步逼近，直至贴膜间隙小于等于预定间隙。相比传统的机械校形方法，本发明校形方法具有控制精度高、工作效率高、适用范围广等优点，符合航空零件高要求的标准。

Description

焊接整体壁板激光冲击校形方法

技术领域

本发明涉及航空制造技术领域，特别涉及对焊接整体壁板变形进行激光冲击校形和强化的方法。

背景技术

传统飞机的壁板结构主要有整体加工壁板和铆接壁板。对于整体加工壁板而言，其制造方法的材料利用率低，制造成本非常高，且效率极低。而铆接壁板则会使得飞机的整体重量增加，同时刚性和强度也远远不如整体加工壁板。

之后，在20世纪90年代，空客公司率先开展机身壁板激光焊接技术研究，并成功应用于A318、A340和A380等型号飞机机身壁板制造中，研究表明A380机身壁板采用激光焊接技术代替铆接工艺，减轻了10％的结构重量，降低了15％成本。

焊接机身壁板主要由蒙皮和多根桁条组成，蒙皮和长桁焊接为T型结构。尽管在焊接过程中可以通过工装夹具定位、工艺参数优化、焊接路径优化等方式对焊接变形进行控制，但是对于机身壁板大型构件而言，局部区域不可避免会出现角变形、挠曲变形等焊接变形问题，这些变形会影响后期的装配及安全使用，因此焊接结束后必须进行变形校形处理。传统的焊接变形校形方法有滚弯、压弯、锤击、热校形以及机械喷丸校形方法。上述方法(机械喷丸除外)受操作工人经验的影响较大，很难实现精确校形，特别是针对单曲率、双曲率壁板这样的复杂构件，由于其变形更为复杂，此类校形方法很难满足要求；而机械喷丸虽然能够实现单曲、双曲壁板的成形，但其实现局部变形区域的精确校形控制较为困难；并且由于弹丸产生的残余应力场幅度和深度都有限，难以完成更大曲率的校形控制。

发明内容

本发明的一个目的是针对焊接整体壁板激光焊后变形复杂、变形程度大的情况，提供一种既能够满足变形区域精确校形又可实现大曲率变形的校形方法。

本发明的另一个目的是通过对焊缝区域进行强化处理，改善焊接结构因焊缝区域热胀冷缩在焊缝表面产生残余拉应力从而导致的在承受拉应力载荷时较低的疲劳强度及损伤容限性能，提供一种既可以控制焊接壁板变形又可以提高焊缝区域强度的方法。

为此，根据本发明的一个方面，提供一种焊接整体壁板激光冲击校形方法，其中，该方法包括如下步骤：

S1)变形和残余应力测量：对焊接整体壁板的三维变形及焊缝区域的残余应力进行测量；

S2)校形量及校形路径确定：基于获得的三维变形数据及残余应力数据，利用计算机及其内置的有限元分析软件进行焊接整体壁板的仿真模拟，并与焊接整体壁板的最终形状进行对比，来确定需校形部位的变形量及校形路径；

S3)激光冲击校形强度确定：计算机根据需校形部位的变形量在内置的激光冲击校形强度与变形量之间的对应关系数据库中查找和确定需校形部位的冲击校形强度；

S4)激光冲击校形：利用激光冲击校形设备，按计算机确定好的冲击强度和校形路径对焊接整体壁板的需校形部位进行激光冲击校形处理；

S5)校形检验：将校形后的焊接整体壁板放置在检验模胎上，检测其贴膜间隙，如果该贴膜间隙超过预定间隙，则依次重复步骤S1、S2、S3、S4，逐步逼近，直至贴膜间隙小于等于预定间隙。

优选地，在上述步骤S3之前还包括在计算机中建立激光冲击校形强度与变形量之间的对应关系数据库的步骤。

进一步优选地，上述对应关系数据通过试验获得。

优选地，上述方法还包括对校形完成后的焊接整体壁板的焊缝区域进行激光冲击强化的步骤。

进一步优选地，上述激光冲击强化的步骤包括：

a)根据焊缝区域的疲劳寿命要求，确定激光冲击强化的强度值；

b)利用激光冲击强化设备对焊接整体壁板的蒙皮和长桁T型焊接结构两侧的焊缝区域进行全覆盖率的同步激光冲击强化。

优选地，上述激光焊接整体壁板为单曲率或双曲率焊接整体壁板。

本发明具有的优点和有益效果如下：

1)相比传统的滚弯、压弯、锤击等机械校形方法，本发明的校形方法具有控制精度高、工作效率高、适用范围广等优点，符合航空零件高要求的标准；

2)本发明的校形方法，相对于传统的机械喷丸，变形区域的校形控制更为精确，且可校形的变形程度更大，同时也可避免传统机械喷丸的二次散射和弹丸回收的问题；

3)蒙皮长桁连接处焊缝区域的激光冲击强化可以消除焊接残余拉应力，在焊缝表面形成一定厚度的残余压应力层，提高焊缝的疲劳强度及应力腐蚀性能。

4)蒙皮长桁连接处焊缝区域两侧同步激光冲击强化，不仅效率高，且可以有效防止两侧依次激光冲击导致的桁条变形。

通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。

附图说明

本发明的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件：

图1为一种双曲率焊接整体壁板变形前的示意图；

图2是图1中双曲率焊接整体壁板变形后的示意图，其中虚线表示双曲率焊接整体壁板变形后的位置；

图3是从图2中L方向看过去的双曲率焊接整体壁板的局部视图；

图4是从图2中M方向看过去的双曲率焊接整体壁板的局部视图；

图5是根据本发明的优选实施方式的双曲率焊接整体壁板激光冲击校形方法的流程图；

图6是对校形后的双曲率焊接整体壁板的焊缝区域进行激光冲击强化的示意图。

具体实施方式

根据要求，这里将披露本发明的具体实施方式。然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。

图1至图4示出了本发明所涉及的一种双曲率焊接整体壁板变形前后的示意图。从图2至图4可以看出，该双曲率焊接整体壁板100无论是其蒙皮1还是蒙皮1上焊接的长桁2都出现了变形，其中蒙皮1变形为蒙皮1’(如图中虚线所示)，长桁2变形为长桁2’(如图中虚线所示)。需要说明的是，尽管图1至图4示出的是双曲率焊接整体壁板，但应当理解，焊接整体壁板可以是单曲率类型或其他类型例如平坦类型。

如图5所示，根据本发明的优选实施方式的双曲率焊接整体壁板激光冲击校形方法包括如下步骤：

S1：变形和残余应力测量，即对焊接整体壁板的三维变形及关键区域例如焊缝区域的残余应力进行测量；

S2：校形量及校形路径确定，即基于获得的三维变形数据及残余应力数据，利用计算机及其内置的有限元分析软件进行焊接整体壁板的仿真模拟，并与焊接整体壁板的最终形状进行对比，来确定需校形部位的变形量及校形路径；

S3：激光冲击校形强度确定，即计算机根据需校形部位的变形量在内置的激光冲击校形强度与变形量之间的对应关系数据库中查找和确定需校形部位的冲击成形强度；

S4：激光冲击校形，即利用激光冲击校形设备，按确定好的冲击校形强度和校形路径对焊接整体壁板的需校形部位进行冲击校形处理；

S5：校形检验，即将校形后的焊接整体壁板放置在检验模胎上，检测其贴膜间隙，如果该贴膜间隙超过预定间隙，则依次重复步骤S1、S2、S3、S4，逐步逼近，直至贴膜间隙小于等于预定间隙。

上述校形方法比传统的机械校形方法具有控制精度高、工作效率高、适用范围广等优点，符合航空零件高要求的标准。

根据本发明的一个实施方式，在上述步骤S3之前还包括在计算机中建立激光冲击校形强度与变形量之间的对应关系数据库的步骤。优选地，通过试验建立激光冲击校形强度和变形量之间的对应关系数据库。

根据本发明的又一个实施方式，本发明的方法还包括对校形完成后的焊接整体壁板的焊缝区域进行激光冲击强化的步骤。

优选地，上述激光冲击强化的步骤包括：

a)根据焊缝区域的疲劳寿命要求，确定激光冲击强化的强度值；

b)利用激光冲击强化设备对焊接整体壁板的蒙皮和长桁T型焊接结构两侧的焊缝区域进行全覆盖率的同步冲击强化。

蒙皮1和长桁2连接处的焊缝区域3(见图6)的激光冲击强化可以消除焊接残余拉应力，在焊缝表面形成一定厚度的残余压应力层，提高焊缝的疲劳强度及应力腐蚀性能；本发明采用两侧焊缝同步激光冲击强化的方法，不仅强化效率高，而且有利于应力和变形的控制，避免两侧依次强化导致桁条变形。另外，需要说明的是，在上述激光冲击强化的步骤中，对蒙皮和长桁T型焊接结构两侧焊缝区域进行的全覆盖率同步激光冲击强化是指至少整个焊缝区域都应进行激光冲击强化，当然也可以对焊缝区域周围的区域也进行激光冲击强化。

需要说明的是，本发明的上述方法尤其适用单曲率或双曲率激光焊接整体壁板，因为这些类型的焊接整体壁板的变形较为复杂，而用本发明的方法可以实现高精度、高效率的校形以及有效的激光冲击强化。

具体地，在上述步骤S1中，将焊接整体壁板放置于专用工装模胎上，利用三维变形测量设备和残余应力测试设备来分别测量焊接壁板的三维变形量及关键区域例如焊缝区域的残余应力；

在上述步骤S2中，具体是将获得的三维变形数据及残余应力数据输入计算机，利用计算机内置的有限元分析软件对焊接整体壁板进行仿真模拟，并与焊接整体壁板的最终形状对比来确定需校形部位的变形量及校形路径；

在上述步骤S3中，计算机根据步骤S2中确定的校形变形量来确定焊接整体壁板的需校形部位的激光冲击校形强度，例如通过计算机自动搜索在其内预先存储的激光冲击校形强度与变形量之间的对应关系数据库来查找到与该校形变形量对应的喷丸强度；

在上述步骤S4中，将激光冲击校形对应的工艺参数(功率密度、光斑直径、速度等)输入至激光冲击设备，由该设备按计算机确定好的校形路径及强度对双曲率焊接整体壁板进行校形处理；

在上述步骤S5中，主要是对焊接整体壁板进行外形检验，具体是将校形后的焊接整体壁板放置在检验模胎上，检测其贴膜间隙，如果外形仍不满足设计要求，即如果该贴膜间隙超过预定间隙，则重复S1、S2、S3、S4步骤，逐步逼近，直至满足设计要求。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和形状作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims (6)

1.一种焊接整体壁板激光冲击校形方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1)变形和残余应力测量：对焊接整体壁板的三维变形及焊缝区域的残余应力进行测量；

S2)校形量及校形路径确定：基于获得的三维变形数据及残余应力数据，利用计算机及其内置的有限元分析软件进行焊接整体壁板的仿真模拟，并与焊接整体壁板的最终形状进行对比，来确定需校形部位的变形量及校形路径；

S3)激光冲击校形强度确定：计算机根据需校形部位的变形量在内置的冲击校形强度与变形量之间的对应关系数据库中查找和确定需校形部位的激光冲击校形强度；

S4)激光冲击校形：利用激光冲击设备，按计算机确定好的激光冲击校形强度和校形路径对焊接整体壁板的需校形部位进行冲击校形处理；

S5)激光冲击校形检验：将校形后的焊接整体壁板放置在检验模胎上，检测其贴膜间隙，如果该贴膜间隙超过预定间隙，则依次重复S1、S2、S3、S4步骤，逐步逼近，直至贴膜间隙小于等于预定间隙。

2.根据权利要求1所述的焊接整体壁板激光冲击校形方法，其特征在于，在所述S3步骤之前还包括在计算机中建立激光冲击校形强度与变形量之间的对应关系数据库的步骤。

3.根据权利要求2所述的焊接整体壁板激光冲击校形方法，其特征在于，所述对应关系数据通过试验获得。

4.根据权利要求1所述的焊接整体壁板激光冲击校形方法，其特征在于，还包括对校形完成后的焊接整体壁板的焊缝区域进行激光冲击强化的步骤。

5.根据权利要求4所述的焊接整体壁板激光冲击校形方法，其特征在于，所述激光冲击强化的步骤包括：

a)根据焊缝区域的疲劳寿命要求，确定激光冲击强化强度值；

b)利用激光冲击强化设备对激光焊接整体壁板的蒙皮和长桁T型焊接结构两侧的焊缝区域进行全覆盖率的同步激光冲击强化。

6.根据权利要求1至5任一项所述的焊接整体壁板激光冲击校形方法，其特征在于，所述焊接整体壁板为单曲率或双曲率焊接整体壁板。

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