CN106826248A - 一种金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法，包括：夹持焊接件，并扫描焊缝位置，生成激光处理路径；按照所述激光处理路径对所述焊缝的两侧表面进行激光喷丸处理。其中，对焊缝两侧表面进行激光喷丸处理时，通过一定功率的激光击打到金属薄壁件的表面上诱导产生的冲击波对焊缝表面进行喷丸强化处理，进而消除焊缝区的残余拉应力，使焊缝区域晶粒细化，位错密度增加，提高焊缝强度，同时对焊接件的变形进行局部校形，保证零件的尺寸精度。因此，本发明能够减轻航天器件中金属薄壁件的重量，同时将焊接结构中的焊缝进行优化处理，提高焊接质量。本发明还公开一种金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化装置，其有益效果如上所述。

Description

一种金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法与装置

技术领域

本发明涉及金属表面处理及焊接技术领域，特别涉及一种金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法。本发明还涉及一种金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化装置。

背景技术

随着我国经济的高速发展，航空航天业在国民生产和生活中起着越来越重要的作用。为了满足国内日益增长的货运客运需求，ARJ21、C919、运20等飞机与长征5号等火箭相继完成研发与服役，相应的，航空航天制造业在国民生产中占比也越来越大。

航空航天器件中重量的控制是头等大事，也是影响航空航天器运载效率的主要因素。提高航空航天器效率的方法主要有两种，一是研发大功率发动机，二是对航空航天器进行减重。减重能够增加军用飞机的航程，提高军机的载弹量，对于民用飞机来说，可以提高载客量，节约成本等。对航空航天器减重的方法有材料减重和结构设计减重两种方法。

选材方面，目前已广泛采用轻质材料，如钛合金、高强铝合金、复合材料等。传统装配连接技术已难以满足这些先进材料的工艺要求，焊接技术已由原来的辅助制造工艺演变成为飞机制造中的关键技术。目前航空航天器件中还存在大量的铆接结构，将铆接改成焊接能够简化结构设计，有效减轻重量。如空中客车A330/A340机身壁板采用激光双光束对称焊接，取代原有的铆接密封壁板，减重达到15％，降低成本15％，同时提高了壁板的密封性能。

随着焊接技术的快速发展，焊接结构件在航空航天器件中占比越来越大，如焊接结构件在喷气发动机零部件总数中所占比例已超过50％，焊接的工作量已占发动机制造总工时的10％左右。虽然焊接技术，特别是高能束流焊接技术在航空航天器件减重中起着重要作用，但仍然存在焊接变形和焊缝强度问题，这些问题的存在给航空航天器的正常使用带来很大的潜在威胁。

因此，如何在减轻金属薄壁件的重量的基础上，消除金属薄壁件焊接结构的焊缝变形，提高焊缝强度，保证零件的尺寸精度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法，能够通过焊接的方式减轻金属薄壁件的重量，并且消除焊缝区残余拉应力，强化焊缝强度，保证零件的尺寸精度。本发明的另一目的是提供一种金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法，包括：

夹持焊接件，并扫描焊缝位置，生成激光处理路径；

按照所述激光处理路径对所述焊缝的两侧表面进行激光喷丸处理。

优选地，夹持焊接件时，使所述焊缝的表面保持水平。

优选地，扫描焊缝位置，具体包括：

扫描所述焊缝在空间中的位置，并确定所述焊缝的形状和厚度。

优选地，按照所述激光处理路径对所述焊缝的两侧表面进行激光喷丸处理具体包括：

同时通过两束激光分别对所述焊缝的表面和底面按照所述激光处理路径进行激光喷丸处理。

优选地，同时通过两束激光分别对所述焊缝的表面和底面按照所述激光处理路径进行激光喷丸处理之前，还包括：

调整两束激光在所述焊缝的表面和底面的投影位置，并使两束激光的焦点在所述焊缝上的投影相同。

优选地，调整两束激光在所述焊缝的表面和底面的投影位置之后，且在按照所述激光处理路径对所述焊缝的两侧表面进行激光喷丸处理之前，还包括：

在所述焊缝的表面和/或底面涂覆用于防止被激光烧灼以及用于提高激光诱导的应力波压力峰值激光喷丸专用贴膜。

优选地，对所述焊缝的两侧表面进行激光喷丸处理之后，还包括：

检测所述焊接件的形变分布情况，并判断形变量是否满足要求，如果否，则根据所述焊接件的形变分布情况调整两束激光的强度，并继续对所述焊接件的两侧表面进行激光喷丸处理。

本发明还提供一种金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化装置，包括用于夹持焊接件的夹持机器人、用于扫描所述焊接件上的焊缝位置的扫描设备、与所述扫描设备信号连接并用于根据其扫描结果生成激光处理路径的主控机，以及与所述主控机信号连接、用于按照所述激光处理路径对所述焊缝的两侧表面进行激光喷丸处理的激光器。

优选地，还包括与所述主控机信号连接、用于对所述激光器发出的激光在所述焊缝上进行对焦的反射镜。

优选地，还包括与所述主控机信号连接、用于对所述焊接件的表面涂覆用于防止被激光烧灼和用于提高激光诱导的应力波压力峰值的激光喷丸专用贴膜的涂覆机器人。

本发明所提供的金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法，主要包括两个步骤，分别为：夹持焊接件，并扫描焊缝位置，生成激光处理路径；按照所述激光处理路径对所述焊缝的两侧表面进行激光喷丸处理。其中，在第一步中，将焊接件，也就是经过焊接后的金属薄壁件稳固夹持，使其焊缝清晰可见，并使焊缝的两个侧面(表面和底面)上方具有足够的操作空间。接着扫描焊缝位置，由于金属薄壁件焊接之后，焊缝的区域可能存在污迹等导致焊接区域不明显，扫描焊接件后可以明确焊缝的具体情况。之后根据焊缝的具体情况确定后续进行激光喷丸处理时的激光处理路径，以提高激光喷丸处理效率和处理质量。然后就可按照制定的激光处理路径对焊缝的两侧表面进行激光喷丸处理，从而通过一定功率的激光击打到金属薄壁件的表面上诱导产生的冲击波对焊缝表面进行喷丸强化处理，进而消除焊缝区的残余拉应力，使焊缝区域晶粒细化，位错密度增加，提高焊缝强度，同时对焊接件的变形进行局部校形，保证零件的尺寸精度。因此，本发明所提供的金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法，相比于现有技术，金属薄壁件的连接方式由铆接改进为焊接，因此能够有效降低航天器件中金属薄壁件的重量，同时对金属薄壁件焊接结构中的焊缝进行优化处理，提高焊接质量和焊接件成型质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种具体实施方式的流程图；

图2为本发明所提供的一种具体实施方式的结构图；

图3为图2中所示的夹持机器人的夹持结构示意图；

图4为图2中所示的涂覆机器人的作业情况示意图。

其中，图2—图4中：

主控机—1，焊接件—2，焊缝—201，激光器—3，扫描设备—4，夹持机器人—5，涂覆机器人—6，反射镜—7，激光喷丸专用贴膜—8，工控机—9，吸盘—10。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的流程图。

在本发明所提供的一种具体实施方式中，金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法主要包括两个步骤，分别为：夹持焊接件2，并扫描其焊缝201位置，再生成激光处理路径；按照所述激光处理路径对所述焊缝201的两侧表面进行激光喷丸处理，以利用激光冲击诱导的冲击波对所述焊缝201进行冲击锻打。

其中，在第一步中，将焊接件2，也就是经过焊接后的金属薄壁件稳固夹持，使其焊缝201清晰可见，并使焊缝201的两个侧面(表面和底面)上方具有足够的操作空间。此处优选地，在夹持焊接件2时，可使焊缝201的表面保持水平。当然，焊缝201一般存在于焊接件2的中间区域，对于形状结构规则的焊接件2而言，只需使焊接件2的平面保持水平，即可使焊缝201的表面保持水平。接着扫描焊缝201位置，由于金属薄壁件焊接之后，焊缝201的区域可能存在污迹等导致焊接区域不明显，扫描焊接件2后可以明确焊缝201的具体情况，此处优选地，首先可扫描到焊缝201在焊接件2上的位置，进而可以确定焊缝201在空间中的位置，如此有利于在空间内自由移动的激光器3对焊缝201进行定位，同时还可确定焊缝201的分布情况，比如焊缝201的形状、厚度等参数。之后根据焊缝201的具体情况确定后续进行激光喷丸处理时的激光处理路径，以提高激光喷丸处理效率和处理质量。在确定激光处理路径时，可将扫描到的焊缝201的分布情况发送给主控机1，在主控机1内基于预设的路径最短等原则可以规划处适合当前焊缝201的激光处理路径。

之后在第二步中，即可按照制定的激光处理路径对焊缝201的两侧表面进行激光喷丸处理，从而通过一定功率的激光击打到金属薄壁件的表面上诱导产生的冲击波对焊缝201表面进行喷丸强化处理，进而消除焊缝201区的残余拉应力，使焊缝201区域晶粒细化，位错密度增加，提高焊缝201强度，同时对焊接件2的变形进行局部校形，保证零件的尺寸精度。

具体的，在对焊缝201的两侧表面进行激光喷丸处理时，可同时通过两束激光分别对焊缝201的表面和底面(水平设置时，两侧表面可根据相对位置关系区分为表面和底面)按照激光处理路径进行激光喷丸处理。如此同时对焊缝201的两侧面进行激光喷丸处理，工作效率更高。当然，也可以采用一束激光依次对焊缝201的表面和底面进行激光喷丸处理，效果一样可取。

对于同时通过两束激光进行喷丸处理的情况，需要保证两束激光的协同性，针对此，本实施例在通过两束激光同时对焊缝201的表面和底面进行喷丸处理之前，增设了对焦步骤。具体的，可分别调整两束激光在焊缝201的表面和底面的投影位置，该两束激光在焊缝201的表面和底面上的投影一般为圆形或矩形等形状，调节两束激光的位置时，只需使焊缝201表面的激光投影与焊缝201底面的激光投影在平面内重合即可，比如两个上下分布(金属薄壁件的厚度导致上下分布)且直径相等的同心圆，此时两束激光的焦点即重叠，可同步对焊缝201进行喷丸处理，如此可以有效避免焊缝201表面和底面质量参差不齐的情况。

进一步的，在开始对焊缝201的两侧表面进行激光喷丸处理之前，还可以在焊缝201的表面或底面涂覆激光喷丸专用贴膜8。具体的，该激光喷丸专用贴膜8主要具有两个作用，其一用于防止焊缝201表面被激光烧灼，比如通过改变焊缝201表面对激光反射的临界波长，增加对激光能量的吸收，从而防止焊缝201表面被激光烧灼；其二为提高激光诱导的压力峰值和增宽冲击波的脉宽，比如通过厚度均匀的层料阻碍等离子体的膨胀，增加与激光能量的耦合和冲击波的相互作用时间等。

综上，本实施例中同时通过两束激光对焊缝201的表面和底面进行喷丸处理，其中上束激光采用有涂层激光喷丸强化，主要有两种作用，其一是消除焊缝201区的残余拉应力，使焊缝201区域晶粒细化，位错密度增加，提高焊缝201强度，其二是对焊接件2的变形进行局部校形。下束激光采用无涂层激光喷丸强化技术，其作用是消除焊缝201区残余拉应力，提高焊缝201强度。如此，既可以顺利将航天器件中的金属薄壁件的连接由铆接改进为焊接，还可以保证焊接工艺的焊接质量。

另外，本实施例在对焊缝201的两侧表面进行激光喷丸处理之后，还包括检测步骤。具体的，可检测焊接件2的形变分布情况，并根据预设条件判断焊接件2的形变量是否满足要求，如果满足，则说明激光喷丸处理工艺质量较高，工艺完成，而如果不满足，则说明焊缝201质量仍然较低，需要继续调节。此时可根据焊接件2的形变分布情况调整两束激光的强度，比如可将其中一束激光的功率增大，同时将另一束激光的功率减小，并且使形变量较大的分布区域使用较大功率的激光进行喷丸处理，而形变量较小的分布区域则使用较小功率的激光进行喷丸处理。

如图2所示，图2为本发明所提供的一种具体实施方式的结构图。

本实施例还提供一种金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化装置，主要包括夹持机器人5、扫描设备4、主控机1和激光器3。其中，夹持机器人5主要用于夹持并固定焊接件2，一般可使其保持水平。扫描设备4主要用于扫描焊接件2上的焊缝201分布情况，比如成像仪等，可获知焊缝201的位置、形状和厚度等信息。主控机1与扫描设备4信号连接，主要用于根据扫描设备4的扫描结果生成激光处理路径。激光器3与主控机1信号连接，主要用于按照主控机1计算出的激光处理路径对焊缝201的两侧表面进行激光喷丸处理，同时，主控机1还能控制激光器3的功率大小。

考虑到在对焊缝201进行激光喷丸处理时，可同时通过两束激光对焊缝201的表面和底面进行喷丸处理，此种情况需要保证两束激光的协同性，为此，本实施例增设了反射镜7。反射镜7具体可架设在激光器3的出射口前端，可通过旋转角度的改变调节从反射镜7中反射出的激光光束，如此，通过多次调节即可将上下两束激光调节到焦点位置相对应的情况。

同时，如前所述，为防止激光灼烧焊缝201表面，同时进一步提高焊缝201质量，增加焊缝201强度，可在焊缝201的表面涂覆吸收层8和约束层9。具体的，本实施例中增设了涂覆机器人6，如图4所示，图4为图2中所示的涂覆机器人6的作业情况示意图。该涂覆机器人6的主要执行机构为机械臂，在其机械臂的末端可设置有毛刷，从而可以快速地完成焊缝201表面的吸收层8和约束层9的涂装。

另外，为保证夹持机器人5能够稳定地夹持焊接件2，本实施例在夹持机器人5的末端增设了吸盘10，如图3所示，图3为图2中所示的夹持机器人5的夹持结构示意图，由于焊接件2为金属薄壁件，表面光滑度较高，因此夹持机器人5可通过吸盘10牢固地吸附焊接件2。

不仅如此，激光器3、扫描设备4、夹持机器人5和涂覆机器人6均可通过工控机9与主控机1进行通讯，从而主控机1可以将控制信号发送到激光器3、扫描设备4、夹持机器人5和涂覆机器人6各自对应的工控机9上，控制四者执行相应操作。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法，其特征在于，包括：

夹持焊接件，并扫描其焊缝位置，再生成激光处理路径；

按照所述激光处理路径对所述焊缝的两侧表面进行激光喷丸处理，以利用激光冲击诱导的冲击波对所述焊缝进行冲击锻打。

2.根据权利要求1所述的金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法，其特征在于，夹持焊接件时，使所述焊缝的表面保持水平。

3.根据权利要求2所述的金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法，其特征在于，扫描焊缝位置，具体包括：

扫描所述焊缝在空间中的位置，并确定所述焊缝的形状和厚度。

4.根据权利要求3所述的金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法，其特征在于，按照所述激光处理路径对所述焊缝的两侧表面进行激光喷丸处理具体包括：

同时通过两束激光分别对所述焊缝的表面和底面按照所述激光处理路径进行激光喷丸处理。

5.根据权利要求4所述的金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法，其特征在于，同时通过两束激光分别对所述焊缝的表面和底面按照所述激光处理路径进行激光喷丸处理之前，还包括：

调整两束激光在所述焊缝的表面和底面的投影位置，并使两束激光的焦点在所述焊缝上的投影相同。

6.根据权利要求5所述的金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法，其特征在于，调整两束激光在所述焊缝的表面和底面的投影位置之后，且在按照所述激光处理路径对所述焊缝的两侧表面进行激光喷丸处理之前，还包括：

在所述焊缝的表面和/或底面涂覆用于防止被激光烧灼以及用于提高激光诱导的应力波压力峰值激光喷丸专用贴膜。

7.根据权利要求6所述的金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化方法，其特征在于，对所述焊缝的两侧表面进行激光喷丸处理之后，还包括：

检测所述焊接件的形变分布情况，并判断形变量是否满足要求，如果否，则根据所述焊接件的形变分布情况调整两束激光的强度，并继续对所述焊接件的两侧表面进行激光喷丸处理。

8.一种金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化装置，其特征在于，包括用于夹持焊接件的夹持机器人、用于扫描所述焊接件上的焊缝位置的扫描设备、与所述扫描设备信号连接并用于根据其扫描结果生成激光处理路径的主控机，以及与所述主控机信号连接、用于按照所述激光处理路径对所述焊缝的两侧表面进行激光喷丸处理的激光器。

9.根据权利要求8所述的金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化装置，其特征在于，还包括与所述主控机信号连接、用于对所述激光器发出的激光在所述焊缝上进行对焦的反射镜。

10.根据权利要求9所述的金属薄壁件铆改焊结构的激光喷丸轻量化装置，其特征在于，还包括与所述主控机信号连接、用于对所述焊接件的表面涂覆用于防止被激光烧灼和用于提高激光诱导的应力波压力峰值的激光喷丸专用贴膜的涂覆机器人。