鈦合金整體壁板T型接頭雙作用激光焊接系統設計*

徐志剛，岳　超,2，侯雯中，鄭帥超,2，王亞軍,3

(1.中國科學院 沈陽自動化研究所, 沈陽　110179；2.東北大學 機械工程與自動化學院, 沈陽　110819；3.沈陽理工大學 機械工程學院, 沈陽　110159)

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鈦合金整體壁板T型接頭雙作用激光焊接系統設計*

徐志剛1，岳超1,2，侯雯中1，鄭帥超1,2，王亞軍1,3

(1.中國科學院 沈陽自動化研究所, 沈陽110179；2.東北大學 機械工程與自動化學院, 沈陽110819；3.沈陽理工大學 機械工程學院, 沈陽110159)

摘要：為了提高飛機壁板結構的蒙皮和加強筋之間的焊接質量，減少蒙皮的焊接變形，設計了鈦合金整體壁板T型接頭雙作用激光焊接系統。系統采用標準工業激光焊接機器人，雙光束激光焊接方法并輔以外部縱向水平驅動軸機構的方案,結構簡單，成本較低，可有效的提高焊接質量和速度。通過對工藝參數分析并進行實驗，得到了良好的焊接樣品，滿足了飛機蒙皮焊接的質量要求，有效提高了飛機的隱身和降噪性能，完善了國內雙激光焊接平臺焊接長桁蒙皮結構機身壁板的技術。

關鍵詞：焊接質量；T型接頭；激光焊接；鈦合金

0引言

目前，鈦合金材料以其優越的物理化學和機械加工性能在航空方面特別是飛機體結構上已得到了廣泛應用[1]。鈦合金在高溫環境下晶粒極易發生畸變，進而影響焊接區域的韌性和塑性[2]。傳統激光焊接方式因其自身工藝特征也導致激光焊接金屬材料產生氣孔和裂紋等缺陷[3]。壁板結構的蒙皮也會因受熱而產生變形。

為了實現壁板結構的蒙皮和加強筋之間良好的焊接質量，雙作用激光焊接系統采用雙機器人同步施焊于T型接頭的兩側，解決了加強筋和蒙皮之間的焊接變形問題。雙作用的激光焊接機理比單作用的焊接機理更加復雜，它采用兩面對稱的焊接軌跡，從T型端部兩側同時進行施焊，可以形成更大焊接熔池，加大了深熔焊頂端小孔的開口，有利于焊縫內氣體在焊接過程中順暢的逸出，增強了焊接的穩定性，從而有效減少了氣孔率、增加焊接過程的穩定性，最大程度減小了焊接過程產生的不利變形，控制了蒙皮的外型面形狀誤差[4]。進而提高了飛機的隱身性,并且起到了良好的降噪效果。因此，雙作用激光焊接技術得到了國外航空制造領域的青睞[5]。

1系統組成及工作原理

整臺設備使用西門子PLC模塊進行信號采集與整體控制，焊接過程由雙激光器在光纖耦合器中同時產生等功率激光，再通過激光光纖傳輸到IPG激光焊接頭中進行焊接。雙焊接機器人及同步軸通過焊點示教進行軌跡規劃并完成焊接，系統集成控制送絲機、氣體保護系統及激光器同時協調運行，完成焊接過程。采用機器人控制系統的示教功能，滿足焊接軌跡生成的要求[6]。鈦合金整體壁板雙用激光焊接設備由五個系統構成。如圖1所示。

圖1　雙作用激光焊接系統結構

系統整體布局圖如圖2所示。

圖2　系統整體布局圖

1.1運動執行系統

運動執行系統包含雙激光機器人及外部軸，可實現鈦合金壁板T型接頭雙側同步激光焊接。整體壁板T型接頭雙作用激光焊接設備本體采用縱向水平驅動平臺和工業機器人相結合的機構方式來完成，實現機器人末端激光焊接頭的六自由度運動。縱向(即與焊接方向平行的X軸方向)驅動平臺采用伺服電機、輔以絲杠、導軌驅動，如圖3所示，平臺滑板上固定兩個機器人。該平臺的驅動電機控制可作為機器人的一個外部軸，實現和機器人同步的路徑軌跡規劃[7]。

圖3　壁板T型接頭激光焊接設備整體效果圖

外部軸為縱向水平安裝，采用絲杠、導軌的方式傳動，采用伺服電機進行驅動，以保證機器人焊接運動時系統的精度與穩定性，并與機器人自身的六自由度進行同步協調插補驅動控制，以滿足機器人焊接在X軸方向的行程要求。焊接機器人采用標準工業六自由度機器人，末端安裝激光焊接頭和送絲機構。機器人的運動精度和負載符合激光焊接的需求。兩臺機器人共同安裝在X軸的滑板上。兩臺機器人的安裝位置距離要適當，在考慮焊接行程的基礎上，避免出現干涉情況[8]，效果圖如圖4所示。

圖4　焊接機器人整體布局效果圖

1.2自動送絲系統

自動送絲系統安裝在外部軸工作臺上。在調試過程中，主要完成了焊機安裝與聯調，加載阻尼設置，前后焊絲輪同步調試，自動回絲，以及送絲位置校準等工作。送絲過程中，焊絲與激光的位置精度是填絲成功的關鍵。自動送絲機構調試過程中，需進行焊絲與激光位置的校準工作，通過激光頭上的調整機構，以激光器引導光源為基準，調整填絲位置與焊接位置一致。校準工作如圖5所示。

圖5　送絲機構送絲準確度校準示意圖

1.3氣體保護系統

由于鈦合金焊接時需要嚴格的焊接保護方式，鈦合金整體壁板T型接頭雙作用激光焊接設備采用具有同軸吹保護氣的焊接保護氣嘴配焊接保護氣托罩的保護方式。已完成焊時與焊后氣體保護裝置的試驗，并針對T型接頭設計了背部保護氣輸送裝置。試驗結果表明保護氣系統可以有效的對激光焊接試件進行保護，滿足焊接要求。

1.4控制系統

控制系統主要完成壁板T型接頭的雙作用焊接，包括兩臺機器人的軌跡生成及同步交互控制，外部軸的驅動控制，工作臺的定位與夾緊及運動控制, 激光器出光及功率設置、氣體保護裝置啟停及送絲機構啟停等集成控制。通過德國西門子公司先進PLC系統控制、采集和數據處理并顯示兩臺機器人運動信息及激光器狀態信息，實現壁板T型接頭的激光焊接，同時完成PLC系統與兩臺機器人控制器、激光控制器、測量傳感器之間的無縫連接。系統采用德國SIEMENS的PLC系統作為控制核心，實現兩臺六自由度機器人的運動控制和同步控制。采用labVIEW軟件進行人機交互，編制整體化操控界面。

系統根據機器人示教結果，形成加工工件軌跡，從而實現焊縫的高效焊接，控制系統結構圖如圖6所示。

圖6　控制系統結構圖

2工藝分析和生產流程

2.1工藝分析

鈦合金整體壁板T型接頭雙作用激光焊接工藝主要包括兩方面內容：機器人示教[9]與焊接工藝參數。實驗對象是厚2mm的鈦合金T型板材。

2.1.1機器人示教

針對焦距為300mm激光頭，設計如圖7所示示教工裝。便于示教時指示焊接焦點。工裝頂尖與焊接工作點位置相同，工裝在軸向上可在一定范圍內調節，徑向保持與激光器激光光束同心。圖7所示為示教過程，對于直線度良好的試件，使用KUKA示教器分別示教T型接頭的起始點與終止點，即可完成機器人示教。示教結束后，使用引導光進行精調，保證示教準確性。

圖7　焊接示教T型接頭示意圖

2.1.2焊接工藝參數研究

影響焊接質量的關鍵影響因素有焊接速度、激光功率、離焦量、激光束入射的角度、送絲速度。離焦量控制在0.4mm時能夠達到最好的焊接效果，保持離焦量為0.4mm不變[10]。焊接功率考慮變化范圍為2600W～3000W，間隔200W，以獲得功率較大范圍內焊接裝備焊接能力情況；焊接速度選取1m/min，3m/min，6 m/min，考慮焊接功率和焊接速度綜合作用下對焊縫質量的影響如表1所示。

表1　功率和速度正交實驗表

從表1可以看到隨著功率的提高，各個速度下焊縫焊頭能力逐漸提高；相同功率下，速度較小時焊透能力較強。此外，速度較低時，焊縫較寬，熱影響區較大；速度較高時，焊縫較窄，熱影響區較小。而熱影響區對于焊接組織有較大影響，應盡量控制。因此可以得出結論，低速度與大功率有助于焊透能力的提高，但是為了控制焊接過程中的熱影響區，提高焊接的總體性能，應適當提升焊接速度，減少熱作用時間。可以看出功率為2800W焊接速度為6m/min時焊接效果較好(焊透充分，熱影響區小)。

工藝試驗已經確定了焊接的離焦量，速度，功率等相關參數， 由以上參數再確定激光束入射角度。由于雙機器人運動時的干涉等因素影響，角度參數控制在15°～35°之間，同時進行自動送絲運動。采樣選用焊接角度為20°和35°兩種情況。所得金相宏觀圖8所示。

圖8　金相組織宏觀圖

由宏觀圖8可以看出兩種角度下焊縫均被焊透，表明焊接質量均滿足要求，但35°角焊縫透過底板，相對的20°焊縫組織相互之間融合的更好，對底板焊接影響較小。因此得出結論：雙作用激光焊接應減小焊接角度，在雙機器人運動不干涉的情況下選用焊接角度為20°。

由以上實驗數據實施送絲速度的研究，改變送絲速度，對結果進行分析。可以得出當送絲速度為焊接速度的1/2時，填絲焊縫質量良好，外觀符合要求，低于1/2焊縫較扁，不飽滿；高于1/2則過于飽滿。因此得出結論，焊接過程中在填絲工況中，應滿足送絲速度為焊接速度的一半。

綜上實驗，由以上數據對鈦合金T型接頭進行焊接，所得結果如圖9所示。

圖9　鈦合金雙側焊接結果圖

2.2生產流程

鈦合金整體壁板T型接頭雙作用激光焊接系統在實際試驗中工作狀態如圖10所示。其生產流程如下：

圖10　焊接系統工作狀態示意圖

(1)人工上料：人工首先利用夾具將要焊接的一根長桁和壁板機械固定，利用吊具把壁板放置到移出工作區間外的工作臺上，進行裝夾。

(2)點動控制將工作臺移至焊接工作區，采用激光點焊定位。

(3)人工對雙機器人進行焊接軌跡示教，疏密程度根據工藝要求進行。

(4)根據焊接軌跡，進行雙作用激光焊接。

(5)自動焊接：按示教路徑程序自動完成產品焊接。

(6)拆卸長桁固定夾具，對其長桁進行裝夾，重新循環，繼續焊接。

3結束語

本文介紹了鈦合金整體壁板T型接頭雙作用激光焊接系統的組成及工作原理，通過對工藝參數分析和實驗，得到了理想的焊接金相組織。提高了飛機壁板結構蒙皮和加強筋之間的焊接質量，減少了蒙皮的焊接變形。實驗結果表明系統可焊鈦合金材料厚度不小于2mm，驗證了鈦合金整體壁板T型接頭雙作用激光焊接系統的可行性。

[參考文獻]

[1] STALEY J T, LIU J, H J, WARREN H. Aluminum alloys for aerostructures[J]. Advanced Materials and Processes, 1997, 152(4): 10-17.

[2]Iwase T, Shibata K, Sakamoto H, et al. Real time X-ray observation of dual focus beam welding of aluminum alloys[C].Proceedings of the International Congress on Applications of Lasers and Electro -optics : ICALEO.Springer-Verlag,2000: 200026.

[3]王晶，王俊恒,林久，等，激光焊接技術的發展及研究現狀[J].東方電氣評論，2013，27(4):21-26.

[4]楊靜，程東海，黃繼華，等. TC4 鈦合金激光焊接接頭組織與性能[J].稀有金屬材料與工程，2009，38(2)：259-262.

[5]鞏水利, 張 燕, 柴國明. 高能束流焊接技術的發展及其在航空領域中的應用[J]. 國防制造技術,2009(3):12-15.

[6]王軍義，徐志剛，辛立明.基于焊縫碾壓預成型的長焊縫激光拼焊系統設計[J].機械設計與制造，2010(1):51-53.

[7]劉成良，張凱，Jay Lee.雙機器人協調作業下碰撞算法及仿真研究[J].機器人，2003,25(2):167-171.

[8] Brenner B,Standfuss J,Dittrich D,et al.Laser beam welding of aircraft fuselage structures [C]. ICALEO 2008 Congress Proceeding Proceedings. USA, 2008:838-845.

[9]趙鳳申,焊接機器人手部示教控制方法研究[D].杭州:浙江大學, 2006.

[10]李亞江, 李嘉寧.激光焊接、切割、熔覆技術[M]. 北京：化學工業出版社，2012.

(編輯趙蓉)

The Design of T-joint Double-acting Welding System for Titanium Alloy Integral Wall Board

XU Zhi-gang1，YUE Chao1,2， HOU Wen-zhong1，ZHENG Shuai-chao1,2，WANG Ya-jun1,3

(1. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110179,China;2. College of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819,China)

Abstract：In order to improve the quality of the weld between aircraft-panel-structure skin and stiffener,and reduce welding deformation of the skin,we devise a welding system named after overall panels made of titanium alloy dual role of T-joint laser welding system.The system,simultaneously supplemented by external longitudinal horizontal drive shaft mechanism,is composed of standard industrial laser welding robot and Dual-beam laser welding method. The system is simple, low cost, which can effectively improve the welding quality and speed. Through analysis of the process parameters and trail and error,we obtain favorable welding samples,which is satisfied with the quality requirements of welding aircraft skin,and effectively improves the noise reduction and stealth performance of the aircraft,therefore,the system consummates an important engineering technology that is applying dual-beam welding platform to the weld of the fuselage panels of stringer skin structure in domestic.

Key words：the quality of the weld; T-joint; laser welding; titanium

文章編號：1001-2265(2016)05-0100-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.027

收稿日期：2015-06-02；修回日期：2015-06-23

*基金項目：“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項—04專項(2013ZX04001041)

作者簡介：徐志剛(1971—)，男，沈陽人，中科院沈陽自動化研究所研究員，博士，研究方向為機器人機構學、危險品防爆智能裝備及航天器物理仿真裝備；通訊作者：岳超(1990—)，男，河南桐柏人，中科院沈陽自動化研究所碩士研究生，研究方向為激光焊接與機器人機構學，(E-mail)yuechao@sia.cn。

中圖分類號：TH122；TG506

文獻標識碼：A