一種金屬薄壁件鉚改焊結構的雷射噴丸輕量化方法與裝置與流程
2023-05-07 23:45:57 1
本發明涉及金屬表面處理及焊接技術領域，特別涉及一種金屬薄壁件鉚改焊結構的雷射噴丸輕量化方法。本發明還涉及一種金屬薄壁件鉚改焊結構的雷射噴丸輕量化裝置。
背景技術：
隨著我國經濟的高速發展，航空航天業在國民生產和生活中起著越來越重要的作用。為了滿足國內日益增長的貨運客運需求，ARJ21、C919、運20等飛機與長徵5號等火箭相繼完成研發與服役，相應的，航空航天製造業在國民生產中佔比也越來越大。
航空太空飛行器件中重量的控制是頭等大事，也是影響航空太空飛行器運載效率的主要因素。提高航空太空飛行器效率的方法主要有兩種，一是研發大功率發動機，二是對航空太空飛行器進行減重。減重能夠增加軍用飛機的航程，提高軍機的載彈量，對於民用飛機來說，可以提高載客量，節約成本等。對航空太空飛行器減重的方法有材料減重和結構設計減重兩種方法。
選材方面，目前已廣泛採用輕質材料，如鈦合金、高強鋁合金、複合材料等。傳統裝配連接技術已難以滿足這些先進材料的工藝要求，焊接技術已由原來的輔助製造工藝演變成為飛機製造中的關鍵技術。目前航空太空飛行器件中還存在大量的鉚接結構，將鉚接改成焊接能夠簡化結構設計，有效減輕重量。如空中巴士A330/A340機身壁板採用雷射雙光束對稱焊接，取代原有的鉚接密封壁板，減重達到15％，降低成本15％，同時提高了壁板的密封性能。
隨著焊接技術的快速發展，焊接結構件在航空太空飛行器件中佔比越來越大，如焊接結構件在噴氣發動機零部件總數中所佔比例已超過50％，焊接的工作量已佔發動機製造總工時的10％左右。雖然焊接技術，特別是高能束流焊接技術在航空太空飛行器件減重中起著重要作用，但仍然存在焊接變形和焊縫強度問題，這些問題的存在給航空太空飛行器的正常使用帶來很大的潛在威脅。
因此，如何在減輕金屬薄壁件的重量的基礎上，消除金屬薄壁件焊接結構的焊縫變形，提高焊縫強度，保證零件的尺寸精度，是本領域技術人員亟待解決的技術問題。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種金屬薄壁件鉚改焊結構的雷射噴丸輕量化方法，能夠通過焊接的方式減輕金屬薄壁件的重量，並且消除焊縫區殘餘拉應力，強化焊縫強度，保證零件的尺寸精度。本發明的另一目的是提供一種金屬薄壁件鉚改焊結構的雷射噴丸輕量化裝置。
為解決上述技術問題，本發明提供一種金屬薄壁件鉚改焊結構的雷射噴丸輕量化方法，包括：
夾持焊接件，並掃描焊縫位置，生成雷射處理路徑；
按照所述雷射處理路徑對所述焊縫的兩側表面進行雷射噴丸處理。
優選地，夾持焊接件時，使所述焊縫的表面保持水平。
優選地，掃描焊縫位置，具體包括：
掃描所述焊縫在空間中的位置，並確定所述焊縫的形狀和厚度。
優選地，按照所述雷射處理路徑對所述焊縫的兩側表面進行雷射噴丸處理具體包括：
同時通過兩束雷射分別對所述焊縫的表面和底面按照所述雷射處理路徑進行雷射噴丸處理。
優選地，同時通過兩束雷射分別對所述焊縫的表面和底面按照所述雷射處理路徑進行雷射噴丸處理之前，還包括：
調整兩束雷射在所述焊縫的表面和底面的投影位置，並使兩束雷射的焦點在所述焊縫上的投影相同。
優選地，調整兩束雷射在所述焊縫的表面和底面的投影位置之後，且在按照所述雷射處理路徑對所述焊縫的兩側表面進行雷射噴丸處理之前，還包括：
在所述焊縫的表面和/或底面塗覆用於防止被雷射燒灼以及用於提高雷射誘導的應力波壓力峰值雷射噴丸專用貼膜。
優選地，對所述焊縫的兩側表面進行雷射噴丸處理之後，還包括：
檢測所述焊接件的形變分布情況，並判斷形變量是否滿足要求，如果否，則根據所述焊接件的形變分布情況調整兩束雷射的強度，並繼續對所述焊接件的兩側表面進行雷射噴丸處理。
本發明還提供一種金屬薄壁件鉚改焊結構的雷射噴丸輕量化裝置，包括用於夾持焊接件的夾持機器人、用於掃描所述焊接件上的焊縫位置的掃描設備、與所述掃描設備信號連接並用於根據其掃描結果生成雷射處理路徑的主控機，以及與所述主控機信號連接、用於按照所述雷射處理路徑對所述焊縫的兩側表面進行雷射噴丸處理的雷射器。
優選地，還包括與所述主控機信號連接、用於對所述雷射器發出的雷射在所述焊縫上進行對焦的反射鏡。
優選地，還包括與所述主控機信號連接、用於對所述焊接件的表面塗覆用於防止被雷射燒灼和用於提高雷射誘導的應力波壓力峰值的雷射噴丸專用貼膜的塗覆機器人。
本發明所提供的金屬薄壁件鉚改焊結構的雷射噴丸輕量化方法，主要包括兩個步驟，分別為：夾持焊接件，並掃描焊縫位置，生成雷射處理路徑；按照所述雷射處理路徑對所述焊縫的兩側表面進行雷射噴丸處理。其中，在第一步中，將焊接件，也就是經過焊接後的金屬薄壁件穩固夾持，使其焊縫清晰可見，並使焊縫的兩個側面(表面和底面)上方具有足夠的操作空間。接著掃描焊縫位置，由於金屬薄壁件焊接之後，焊縫的區域可能存在汙跡等導致焊接區域不明顯，掃描焊接件後可以明確焊縫的具體情況。之後根據焊縫的具體情況確定後續進行雷射噴丸處理時的雷射處理路徑，以提高雷射噴丸處理效率和處理質量。然後就可按照制定的雷射處理路徑對焊縫的兩側表面進行雷射噴丸處理，從而通過一定功率的雷射擊打到金屬薄壁件的表面上誘導產生的衝擊波對焊縫表面進行噴丸強化處理，進而消除焊縫區的殘餘拉應力，使焊縫區域晶粒細化，位錯密度增加，提高焊縫強度，同時對焊接件的變形進行局部校形，保證零件的尺寸精度。因此，本發明所提供的金屬薄壁件鉚改焊結構的雷射噴丸輕量化方法，相比於現有技術，金屬薄壁件的連接方式由鉚接改進為焊接，因此能夠有效降低太空飛行器件中金屬薄壁件的重量，同時對金屬薄壁件焊接結構中的焊縫進行優化處理，提高焊接質量和焊接件成型質量。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明所提供的一種具體實施方式的流程圖；
圖2為本發明所提供的一種具體實施方式的結構圖；
圖3為圖2中所示的夾持機器人的夾持結構示意圖；
圖4為圖2中所示的塗覆機器人的作業情況示意圖。
其中，圖2—圖4中：
主控機—1，焊接件—2，焊縫—201，雷射器—3，掃描設備—4，夾持機器人—5，塗覆機器人—6，反射鏡—7，雷射噴丸專用貼膜—8，工控機—9，吸盤—10。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
請參考圖1，圖1為本發明所提供的一種具體實施方式的流程圖。
在本發明所提供的一種具體實施方式中，金屬薄壁件鉚改焊結構的雷射噴丸輕量化方法主要包括兩個步驟，分別為：夾持焊接件2，並掃描其焊縫201位置，再生成雷射處理路徑；按照所述雷射處理路徑對所述焊縫201的兩側表面進行雷射噴丸處理，以利用雷射衝擊誘導的衝擊波對所述焊縫201進行衝擊鍛打。
其中，在第一步中，將焊接件2，也就是經過焊接後的金屬薄壁件穩固夾持，使其焊縫201清晰可見，並使焊縫201的兩個側面(表面和底面)上方具有足夠的操作空間。此處優選地，在夾持焊接件2時，可使焊縫201的表面保持水平。當然，焊縫201一般存在於焊接件2的中間區域，對於形狀結構規則的焊接件2而言，只需使焊接件2的平面保持水平，即可使焊縫201的表面保持水平。接著掃描焊縫201位置，由於金屬薄壁件焊接之後，焊縫201的區域可能存在汙跡等導致焊接區域不明顯，掃描焊接件2後可以明確焊縫201的具體情況，此處優選地，首先可掃描到焊縫201在焊接件2上的位置，進而可以確定焊縫201在空間中的位置，如此有利於在空間內自由移動的雷射器3對焊縫201進行定位，同時還可確定焊縫201的分布情況，比如焊縫201的形狀、厚度等參數。之後根據焊縫201的具體情況確定後續進行雷射噴丸處理時的雷射處理路徑，以提高雷射噴丸處理效率和處理質量。在確定雷射處理路徑時，可將掃描到的焊縫201的分布情況發送給主控機1，在主控機1內基於預設的路徑最短等原則可以規劃處適合當前焊縫201的雷射處理路徑。
之後在第二步中，即可按照制定的雷射處理路徑對焊縫201的兩側表面進行雷射噴丸處理，從而通過一定功率的雷射擊打到金屬薄壁件的表面上誘導產生的衝擊波對焊縫201表面進行噴丸強化處理，進而消除焊縫201區的殘餘拉應力，使焊縫201區域晶粒細化，位錯密度增加，提高焊縫201強度，同時對焊接件2的變形進行局部校形，保證零件的尺寸精度。
具體的，在對焊縫201的兩側表面進行雷射噴丸處理時，可同時通過兩束雷射分別對焊縫201的表面和底面(水平設置時，兩側表面可根據相對位置關係區分為表面和底面)按照雷射處理路徑進行雷射噴丸處理。如此同時對焊縫201的兩側面進行雷射噴丸處理，工作效率更高。當然，也可以採用一束雷射依次對焊縫201的表面和底面進行雷射噴丸處理，效果一樣可取。
對於同時通過兩束雷射進行噴丸處理的情況，需要保證兩束雷射的協同性，針對此，本實施例在通過兩束雷射同時對焊縫201的表面和底面進行噴丸處理之前，增設了對焦步驟。具體的，可分別調整兩束雷射在焊縫201的表面和底面的投影位置，該兩束雷射在焊縫201的表面和底面上的投影一般為圓形或矩形等形狀，調節兩束雷射的位置時，只需使焊縫201表面的雷射投影與焊縫201底面的雷射投影在平面內重合即可，比如兩個上下分布(金屬薄壁件的厚度導致上下分布)且直徑相等的同心圓，此時兩束雷射的焦點即重疊，可同步對焊縫201進行噴丸處理，如此可以有效避免焊縫201表面和底面質量參差不齊的情況。
進一步的，在開始對焊縫201的兩側表面進行雷射噴丸處理之前，還可以在焊縫201的表面或底面塗覆雷射噴丸專用貼膜8。具體的，該雷射噴丸專用貼膜8主要具有兩個作用，其一用於防止焊縫201表面被雷射燒灼，比如通過改變焊縫201表面對雷射反射的臨界波長，增加對雷射能量的吸收，從而防止焊縫201表面被雷射燒灼；其二為提高雷射誘導的壓力峰值和增寬衝擊波的脈寬，比如通過厚度均勻的層料阻礙等離子體的膨脹，增加與雷射能量的耦合和衝擊波的相互作用時間等。
綜上，本實施例中同時通過兩束雷射對焊縫201的表面和底面進行噴丸處理，其中上束雷射採用有塗層雷射噴丸強化，主要有兩種作用，其一是消除焊縫201區的殘餘拉應力，使焊縫201區域晶粒細化，位錯密度增加，提高焊縫201強度，其二是對焊接件2的變形進行局部校形。下束雷射採用無塗層雷射噴丸強化技術，其作用是消除焊縫201區殘餘拉應力，提高焊縫201強度。如此，既可以順利將太空飛行器件中的金屬薄壁件的連接由鉚接改進為焊接，還可以保證焊接工藝的焊接質量。
另外，本實施例在對焊縫201的兩側表面進行雷射噴丸處理之後，還包括檢測步驟。具體的，可檢測焊接件2的形變分布情況，並根據預設條件判斷焊接件2的形變量是否滿足要求，如果滿足，則說明雷射噴丸處理工藝質量較高，工藝完成，而如果不滿足，則說明焊縫201質量仍然較低，需要繼續調節。此時可根據焊接件2的形變分布情況調整兩束雷射的強度，比如可將其中一束雷射的功率增大，同時將另一束雷射的功率減小，並且使形變量較大的分布區域使用較大功率的雷射進行噴丸處理，而形變量較小的分布區域則使用較小功率的雷射進行噴丸處理。
如圖2所示，圖2為本發明所提供的一種具體實施方式的結構圖。
本實施例還提供一種金屬薄壁件鉚改焊結構的雷射噴丸輕量化裝置，主要包括夾持機器人5、掃描設備4、主控機1和雷射器3。其中，夾持機器人5主要用於夾持並固定焊接件2，一般可使其保持水平。掃描設備4主要用於掃描焊接件2上的焊縫201分布情況，比如成像儀等，可獲知焊縫201的位置、形狀和厚度等信息。主控機1與掃描設備4信號連接，主要用於根據掃描設備4的掃描結果生成雷射處理路徑。雷射器3與主控機1信號連接，主要用於按照主控機1計算出的雷射處理路徑對焊縫201的兩側表面進行雷射噴丸處理，同時，主控機1還能控制雷射器3的功率大小。
考慮到在對焊縫201進行雷射噴丸處理時，可同時通過兩束雷射對焊縫201的表面和底面進行噴丸處理，此種情況需要保證兩束雷射的協同性，為此，本實施例增設了反射鏡7。反射鏡7具體可架設在雷射器3的出射口前端，可通過旋轉角度的改變調節從反射鏡7中反射出的雷射光束，如此，通過多次調節即可將上下兩束雷射調節到焦點位置相對應的情況。
同時，如前所述，為防止雷射灼燒焊縫201表面，同時進一步提高焊縫201質量，增加焊縫201強度，可在焊縫201的表面塗覆吸收層8和約束層9。具體的，本實施例中增設了塗覆機器人6，如圖4所示，圖4為圖2中所示的塗覆機器人6的作業情況示意圖。該塗覆機器人6的主要執行機構為機械臂，在其機械臂的末端可設置有毛刷，從而可以快速地完成焊縫201表面的吸收層8和約束層9的塗裝。
另外，為保證夾持機器人5能夠穩定地夾持焊接件2，本實施例在夾持機器人5的末端增設了吸盤10，如圖3所示，圖3為圖2中所示的夾持機器人5的夾持結構示意圖，由於焊接件2為金屬薄壁件，表面光滑度較高，因此夾持機器人5可通過吸盤10牢固地吸附焊接件2。
不僅如此，雷射器3、掃描設備4、夾持機器人5和塗覆機器人6均可通過工控機9與主控機1進行通訊，從而主控機1可以將控制信號發送到雷射器3、掃描設備4、夾持機器人5和塗覆機器人6各自對應的工控機9上，控制四者執行相應操作。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。