让光聚焦一点,实现“三大转变”——航天三江红阳公司激光焊接技术发展纪实

来源:九州体育地址手机版    关键词:激光焊接,, 激光机器人,    发布时间:2018-11-13

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申请发明专利21项,其中11项已获授权,获得航天三江科技成果奖2项,编写国防科技报告9篇,激光焊接领域国家标准1项、航天行业标准1项、航天三江标准2项,QC成果获国优、省优各1项,五小成果奖20余项,这是近三年航天三江红阳公司激光焊接攻关团队交出的答卷。

2012年,红阳公司与某国家重点实验室合作研发激光机器人焊接系统,正式踏足激光焊接领域。到如今也才过去6年,红阳公司已经成长为拥有激光焊接、切割、增材制造设备,以及先进焊接技术湖北省重点实验室研发平台和全国示范院士专家工作站的高新技术企业。

让“高不可攀”变成“唾手可得”

随着型号发展,高温合金、高温钛合金、超高强度钢等高强、耐热材料在型号产品中使用量逐年增多,传统的焊接方法局限性日益凸显。“一定要完全掌握激光焊接这项新型技术”这既是公司领导的要求,也是公司适应时代发展转型升级必将啃下的“硬骨头”。

近三年来,公司技术攻关团队开展多项特种异性材料的激光焊接工艺研究,实现了母材的等强连接,与母材相比焊缝室温强度、塑性不降低,高温强度不降低,焊接质量达到I级焊缝质量要求,相应产品通过静力试验、热力试验以及飞行验证实验考核。

在特种异种材料激光焊接领域,最怕出现的问题就是不同的合金元素互熔造成沉淀析出。但难关是躲不过去的,只有攻克它才能掌握这项技术。项目攻关团队在技术负责人王维新的带领下,经过近五十天连夜奋战,经过焊缝强度、塑性、微观组织/断口SEM形貌等一系列检测分析,充分论证了异种钛合金材料的可焊性和焊接稳定性,相应型号产品通过飞行试验验证考核,在国内首次实现了高温钛合金与常规钛合金材料体系在蒙皮骨架舵翼产品上的工程化应用。

 公司激光技术攻关团队中“心高气傲”的小伙子们才不会满足于掌握技术,降本增效、工艺优化才是他们的目标。通过异种材料激光焊接工艺研究,公司成功地实现了低成本材料在关键结构上的替换使用,为型号产品提供了一种低成本制造方法,在保证表面耐热和结构承力双重要求的同时减少了高温钛合金用量,累计节约制造成本40%以上,也为设计人员在高温服役环境下的轻量化结构设计提供了更广阔的设计空间,工艺研究过程对更多异种材料体系焊接具有较好的指导意义。曾经显得“高不可攀”的特种、异种的高温合金焊接,在激光焊接技术支持下变得“唾手可得”。

让“轻如鸿毛”变成“稳如泰山”

航天产品的大型化必然导致产品结构轻量化,其中典型代表就是栅格舵。栅格舵与以往传统笨重的单翼面相比,有升力效率高、气动阻尼大、气动特性好等优点,极大节省了产品的有效载荷,2016年,航天三江在国内率先提出将栅格舵控制技术用于应急空间飞行器型号中。

 红阳公司承接了此型号大尺寸栅格舵组件的研制,当时世界上只有俄罗斯有能力使用激光焊接栅格舵。作为国内第一个“吃螃蟹”的人,将“轻如鸿毛”的栅格焊接成“稳如泰山”的结构舵难度是巨大的,公司领导对项目组的要求只有八个字“敢想敢做、敢作敢当”。

针对栅格舵的结构特点,项目组创造性地提出了栅格片之间的“X”型插接、“L”型对接以及“V”型搭接的焊接结构设计方案,设计了适应激光焊接的定位焊、连续焊以及去应力退火等高精度约束工装,攻克了焊接变形与焊缝质量控制等一系列关键技术,在国内首次实现了复杂网状薄壁栅格舵组件的激光焊接。

知其然还要知其所以然,刨根问底的“倔脾气”是项目组成员的“通病”。项目组通过大量实验,首次研究证实了近间距大厚度焊接熔池下塌的缺陷机理,在充分考虑了激光焊接工艺参数以及激光束对缝偏差等因素的前提下,通过改进接头形式和增加小功率激光连续出光定位焊接等措施,彻底解决了栅格舵关键承力接头激光焊接存在的技术难题。精益求精,不给自己设定“上限”是项目成员的共识。公司全面系统的提出了薄壁网状结构的焊接变形控制措施,通过焊接仿真模拟分析,采取控制装配精度、优化焊接顺序等手段,减小了结构变形与内应力,焊接产品的整体性能优于设计要求,变形控制到达国内领先水平。

 经过近2年的技术研究,形成了一系列创新性成果,填补了国内工作环境恶劣、承力要求高的栅格舵翼激光焊接制造关键技术空白。此型号栅格舵组件产品顺利通过了静力试验、风洞试验和飞行试验考核,在已成功发射2次的“快舟”系列固体运载火箭上就有它的身影。   

让“盲人摸象”变成“一览无余”

智能化、自动化是现代制造行业发展的必然趋势,各类仿真软件在生产制造中也扮演着愈来愈重要的作用。一些以前忽视的应力集中点在工艺仿真下变得“一览无余”,通过预判可能出现的焊接缺陷,对焊接工艺提供了大量有效指导。用一款仿真软件还不放心,项目组成员找来多款仿真软件轮番上阵,力求无死角,大大减少了实验次数、缩短了研制周期,降低了研制费用。

今年协外项目中航空无人机采用钛合金框梁结构,外形尺寸大、结构复杂、载荷与疲劳寿命要求极高,铸造工艺难以实现,分体件增材制造加激光焊接成形方案成为了不二选择。3D打印钛合金典型舱段可拆分为57项零件,焊缝数量有760多条,要求成形精度不大于2mm,焊接变形控制难度非常大。公司项目攻关团队并没有望而生畏,决定抛弃传统的实物试验与检测分析,以产品三维模型与相应的工艺手段为基础,对产品接头形式、焊接参数、焊接次序、工装约束等开展仿真模拟计算,预先评判工艺方案的可行性,保证以最佳工艺方案进行产品试验件的试制。产品最终成形精度控制在0.8mm以内,承载性能通过试验考核,在国内首次实现了钛合金3D打印材料激光焊接工艺在航空无人机主承力结构上的应用,典型舱段激光焊接质量与成形度获得客户好评。

今年某型号产品中防尘挡圈采用0.3mm锡青铜薄板进行成形,面对只有三张纸厚的锡青铜,传统的电阻焊、储能点焊、铜银钎焊等纷纷败下阵来,熔核强度过低或焊接变形过大的问题始终未能解决,激光焊接技术项目组挺身而出,扮演起了“救火队长”的角色。针对薄如纸片的特种材料,项目组采取一系列工艺仿真优化措施实施后,试焊产品经过X射线检测与力学性能检测,焊接质量满足I级焊缝要求,并且产品焊接变形量可控,最终产品顺利交付。

既要埋头干事,也要抬头看路,今年,公司开创性地提出以机器视觉为核心的智能焊接生产技术,以新思维新技术大力解决激光焊接中的“老大难”。该视觉系统采用结构光技术来获取焊接对象的三维形状及位置信息,同时结合高动态范围成像技术来消除金属构件表面的高光反射率造成的“高亮”现象,实现对焊缝坐标位置的快速识别及离线编程,同时做到对焊接过程的在线监测及动态跟踪补偿,解决弱刚性构件因焊接变形导致预设轨迹偏差问题。目前,基于机器视觉的智能焊接技术研究工作已经启动,预计到2019年可实现原理样机的研制。

今年十月底,从全国焊接标准化技术委员会第七届三次会议上传来喜讯,公司编制的国家标准《高温钛合金激光焊接技术要求》顺利通过审查,在激光焊接的领域,红阳人一直在大步向前。