本發(fā)明涉及金屬表面處理及焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種金屬薄壁件鉚改焊結(jié)構(gòu)的激光噴丸輕量化方法。本發(fā)明還涉及一種金屬薄壁件鉚改焊結(jié)構(gòu)的激光噴丸輕量化裝置。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，航空航天業(yè)在國(guó)民生產(chǎn)和生活中起著越來(lái)越重要的作用。為了滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)日益增長(zhǎng)的貨運(yùn)客運(yùn)需求，ARJ21、C919、運(yùn)20等飛機(jī)與長(zhǎng)征5號(hào)等火箭相繼完成研發(fā)與服役，相應(yīng)的，航空航天制造業(yè)在國(guó)民生產(chǎn)中占比也越來(lái)越大。

航空航天器件中重量的控制是頭等大事，也是影響航空航天器運(yùn)載效率的主要因素。提高航空航天器效率的方法主要有兩種，一是研發(fā)大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，二是對(duì)航空航天器進(jìn)行減重。減重能夠增加軍用飛機(jī)的航程，提高軍機(jī)的載彈量，對(duì)于民用飛機(jī)來(lái)說(shuō)，可以提高載客量，節(jié)約成本等。對(duì)航空航天器減重的方法有材料減重和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減重兩種方法。

選材方面，目前已廣泛采用輕質(zhì)材料，如鈦合金、高強(qiáng)鋁合金、復(fù)合材料等。傳統(tǒng)裝配連接技術(shù)已難以滿(mǎn)足這些先進(jìn)材料的工藝要求，焊接技術(shù)已由原來(lái)的輔助制造工藝演變成為飛機(jī)制造中的關(guān)鍵技術(shù)。目前航空航天器件中還存在大量的鉚接結(jié)構(gòu)，將鉚接改成焊接能夠簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減輕重量。如空中客車(chē)A330/A340機(jī)身壁板采用激光雙光束對(duì)稱(chēng)焊接，取代原有的鉚接密封壁板，減重達(dá)到15％，降低成本15％，同時(shí)提高了壁板的密封性能。

隨著焊接技術(shù)的快速發(fā)展，焊接結(jié)構(gòu)件在航空航天器件中占比越來(lái)越大，如焊接結(jié)構(gòu)件在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零部件總數(shù)中所占比例已超過(guò)50％，焊接的工作量已占發(fā)動(dòng)機(jī)制造總工時(shí)的10％左右。雖然焊接技術(shù)，特別是高能束流焊接技術(shù)在航空航天器件減重中起著重要作用，但仍然存在焊接變形和焊縫強(qiáng)度問(wèn)題，這些問(wèn)題的存在給航空航天器的正常使用帶來(lái)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(chǔ)上，消除金屬薄壁件焊接結(jié)構(gòu)的焊縫變形，提高焊縫強(qiáng)度，保證零件的尺寸精度，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種金屬薄壁件鉚改焊結(jié)構(gòu)的激光噴丸輕量化方法，能夠通過(guò)焊接的方式減輕金屬薄壁件的重量，并且消除焊縫區(qū)殘余拉應(yīng)力，強(qiáng)化焊縫強(qiáng)度，保證零件的尺寸精度。本發(fā)明的另一目的是提供一種金屬薄壁件鉚改焊結(jié)構(gòu)的激光噴丸輕量化裝置。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種金屬薄壁件鉚改焊結(jié)構(gòu)的激光噴丸輕量化方法，包括：

夾持焊接件，并掃描焊縫位置，生成激光處理路徑；

按照所述激光處理路徑對(duì)所述焊縫的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理。

優(yōu)選地，夾持焊接件時(shí)，使所述焊縫的表面保持水平。

優(yōu)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，并確定所述焊縫的形狀和厚度。

優(yōu)選地，按照所述激光處理路徑對(duì)所述焊縫的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理具體包括：

同時(shí)通過(guò)兩束激光分別對(duì)所述焊縫的表面和底面按照所述激光處理路徑進(jìn)行激光噴丸處理。

優(yōu)選地，同時(shí)通過(guò)兩束激光分別對(duì)所述焊縫的表面和底面按照所述激光處理路徑進(jìn)行激光噴丸處理之前，還包括：

調(diào)整兩束激光在所述焊縫的表面和底面的投影位置，并使兩束激光的焦點(diǎn)在所述焊縫上的投影相同。

優(yōu)選地，調(diào)整兩束激光在所述焊縫的表面和底面的投影位置之后，且在按照所述激光處理路徑對(duì)所述焊縫的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理之前，還包括：

在所述焊縫的表面和/或底面涂覆用于防止被激光燒灼以及用于提高激光誘導(dǎo)的應(yīng)力波壓力峰值激光噴丸專(zhuān)用貼膜。

優(yōu)選地，對(duì)所述焊縫的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理之后，還包括：

檢測(cè)所述焊接件的形變分布情況，并判斷形變量是否滿(mǎn)足要求，如果否，則根據(jù)所述焊接件的形變分布情況調(diào)整兩束激光的強(qiáng)度，并繼續(xù)對(duì)所述焊接件的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理。

本發(fā)明還提供一種金屬薄壁件鉚改焊結(jié)構(gòu)的激光噴丸輕量化裝置，包括用于夾持焊接件的夾持機(jī)器人、用于掃描所述焊接件上的焊縫位置的掃描設(shè)備、與所述掃描設(shè)備信號(hào)連接并用于根據(jù)其掃描結(jié)果生成激光處理路徑的主控機(jī)，以及與所述主控機(jī)信號(hào)連接、用于按照所述激光處理路徑對(duì)所述焊縫的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理的激光器。

優(yōu)選地，還包括與所述主控機(jī)信號(hào)連接、用于對(duì)所述激光器發(fā)出的激光在所述焊縫上進(jìn)行對(duì)焦的反射鏡。

優(yōu)選地，還包括與所述主控機(jī)信號(hào)連接、用于對(duì)所述焊接件的表面涂覆用于防止被激光燒灼和用于提高激光誘導(dǎo)的應(yīng)力波壓力峰值的激光噴丸專(zhuān)用貼膜的涂覆機(jī)器人。

本發(fā)明所提供的金屬薄壁件鉚改焊結(jié)構(gòu)的激光噴丸輕量化方法，主要包括兩個(gè)步驟，分別為：夾持焊接件，并掃描焊縫位置，生成激光處理路徑；按照所述激光處理路徑對(duì)所述焊縫的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理。其中，在第一步中，將焊接件，也就是經(jīng)過(guò)焊接后的金屬薄壁件穩(wěn)固夾持，使其焊縫清晰可見(jiàn)，并使焊縫的兩個(gè)側(cè)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，由于金屬薄壁件焊接之后，焊縫的區(qū)域可能存在污跡等導(dǎo)致焊接區(qū)域不明顯，掃描焊接件后可以明確焊縫的具體情況。之后根據(jù)焊縫的具體情況確定后續(xù)進(jìn)行激光噴丸處理時(shí)的激光處理路徑，以提高激光噴丸處理效率和處理質(zhì)量。然后就可按照制定的激光處理路徑對(duì)焊縫的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理，從而通過(guò)一定功率的激光擊打到金屬薄壁件的表面上誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波對(duì)焊縫表面進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，進(jìn)而消除焊縫區(qū)的殘余拉應(yīng)力，使焊縫區(qū)域晶粒細(xì)化，位錯(cuò)密度增加，提高焊縫強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)焊接件的變形進(jìn)行局部校形，保證零件的尺寸精度。因此，本發(fā)明所提供的金屬薄壁件鉚改焊結(jié)構(gòu)的激光噴丸輕量化方法，相比于現(xiàn)有技術(shù)，金屬薄壁件的連接方式由鉚接改進(jìn)為焊接，因此能夠有效降低航天器件中金屬薄壁件的重量，同時(shí)對(duì)金屬薄壁件焊接結(jié)構(gòu)中的焊縫進(jìn)行優(yōu)化處理，提高焊接質(zhì)量和焊接件成型質(zhì)量。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明所提供的一種具體實(shí)施方式的流程圖；

圖2為本發(fā)明所提供的一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為圖2中所示的夾持機(jī)器人的夾持結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖2中所示的涂覆機(jī)器人的作業(yè)情況示意圖。

其中，圖2—圖4中：

主控機(jī)—1，焊接件—2，焊縫—201，激光器—3，掃描設(shè)備—4，夾持機(jī)器人—5，涂覆機(jī)器人—6，反射鏡—7，激光噴丸專(zhuān)用貼膜—8，工控機(jī)—9，吸盤(pán)—10。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參考圖1，圖1為本發(fā)明所提供的一種具體實(shí)施方式的流程圖。

在本發(fā)明所提供的一種具體實(shí)施方式中，金屬薄壁件鉚改焊結(jié)構(gòu)的激光噴丸輕量化方法主要包括兩個(gè)步驟，分別為：夾持焊接件2，并掃描其焊縫201位置，再生成激光處理路徑；按照所述激光處理路徑對(duì)所述焊縫201的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理，以利用激光沖擊誘導(dǎo)的沖擊波對(duì)所述焊縫201進(jìn)行沖擊鍛打。

其中，在第一步中，將焊接件2，也就是經(jīng)過(guò)焊接后的金屬薄壁件穩(wěn)固夾持，使其焊縫201清晰可見(jiàn)，并使焊縫201的兩個(gè)側(cè)面(表面和底面)上方具有足夠的操作空間。此處優(yōu)選地，在夾持焊接件2時(shí)，可使焊縫201的表面保持水平。當(dāng)然，焊縫201一般存在于焊接件2的中間區(qū)域，對(duì)于形狀結(jié)構(gòu)規(guī)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，由于金屬薄壁件焊接之后，焊縫201的區(qū)域可能存在污跡等導(dǎo)致焊接區(qū)域不明顯，掃描焊接件2后可以明確焊縫201的具體情況，此處優(yōu)選地，首先可掃描到焊縫201在焊接件2上的位置，進(jìn)而可以確定焊縫201在空間中的位置，如此有利于在空間內(nèi)自由移動(dòng)的激光器3對(duì)焊縫201進(jìn)行定位，同時(shí)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(shù)。之后根據(jù)焊縫201的具體情況確定后續(xù)進(jìn)行激光噴丸處理時(shí)的激光處理路徑，以提高激光噴丸處理效率和處理質(zhì)量。在確定激光處理路徑時(shí)，可將掃描到的焊縫201的分布情況發(fā)送給主控機(jī)1，在主控機(jī)1內(nèi)基于預(yù)設(shè)的路徑最短等原則可以規(guī)劃處適合當(dāng)前焊縫201的激光處理路徑。

之后在第二步中，即可按照制定的激光處理路徑對(duì)焊縫201的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理，從而通過(guò)一定功率的激光擊打到金屬薄壁件的表面上誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波對(duì)焊縫201表面進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，進(jìn)而消除焊縫201區(qū)的殘余拉應(yīng)力，使焊縫201區(qū)域晶粒細(xì)化，位錯(cuò)密度增加，提高焊縫201強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)焊接件2的變形進(jìn)行局部校形，保證零件的尺寸精度。

具體的，在對(duì)焊縫201的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理時(shí)，可同時(shí)通過(guò)兩束激光分別對(duì)焊縫201的表面和底面(水平設(shè)置時(shí)，兩側(cè)表面可根據(jù)相對(duì)位置關(guān)系區(qū)分為表面和底面)按照激光處理路徑進(jìn)行激光噴丸處理。如此同時(shí)對(duì)焊縫201的兩側(cè)面進(jìn)行激光噴丸處理，工作效率更高。當(dāng)然，也可以采用一束激光依次對(duì)焊縫201的表面和底面進(jìn)行激光噴丸處理，效果一樣可取。

對(duì)于同時(shí)通過(guò)兩束激光進(jìn)行噴丸處理的情況，需要保證兩束激光的協(xié)同性，針對(duì)此，本實(shí)施例在通過(guò)兩束激光同時(shí)對(duì)焊縫201的表面和底面進(jìn)行噴丸處理之前，增設(shè)了對(duì)焦步驟。具體的，可分別調(diào)整兩束激光在焊縫201的表面和底面的投影位置，該兩束激光在焊縫201的表面和底面上的投影一般為圓形或矩形等形狀，調(diào)節(jié)兩束激光的位置時(shí)，只需使焊縫201表面的激光投影與焊縫201底面的激光投影在平面內(nèi)重合即可，比如兩個(gè)上下分布(金屬薄壁件的厚度導(dǎo)致上下分布)且直徑相等的同心圓，此時(shí)兩束激光的焦點(diǎn)即重疊，可同步對(duì)焊縫201進(jìn)行噴丸處理，如此可以有效避免焊縫201表面和底面質(zhì)量參差不齊的情況。

進(jìn)一步的，在開(kāi)始對(duì)焊縫201的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理之前，還可以在焊縫201的表面或底面涂覆激光噴丸專(zhuān)用貼膜8。具體的，該激光噴丸專(zhuān)用貼膜8主要具有兩個(gè)作用，其一用于防止焊縫201表面被激光燒灼，比如通過(guò)改變焊縫201表面對(duì)激光反射的臨界波長(zhǎng)，增加對(duì)激光能量的吸收，從而防止焊縫201表面被激光燒灼；其二為提高激光誘導(dǎo)的壓力峰值和增寬沖擊波的脈寬，比如通過(guò)厚度均勻的層料阻礙等離子體的膨脹，增加與激光能量的耦合和沖擊波的相互作用時(shí)間等。

綜上，本實(shí)施例中同時(shí)通過(guò)兩束激光對(duì)焊縫201的表面和底面進(jìn)行噴丸處理，其中上束激光采用有涂層激光噴丸強(qiáng)化，主要有兩種作用，其一是消除焊縫201區(qū)的殘余拉應(yīng)力，使焊縫201區(qū)域晶粒細(xì)化，位錯(cuò)密度增加，提高焊縫201強(qiáng)度，其二是對(duì)焊接件2的變形進(jìn)行局部校形。下束激光采用無(wú)涂層激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)，其作用是消除焊縫201區(qū)殘余拉應(yīng)力，提高焊縫201強(qiáng)度。如此，既可以順利將航天器件中的金屬薄壁件的連接由鉚接改進(jìn)為焊接，還可以保證焊接工藝的焊接質(zhì)量。

另外，本實(shí)施例在對(duì)焊縫201的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理之后，還包括檢測(cè)步驟。具體的，可檢測(cè)焊接件2的形變分布情況，并根據(jù)預(yù)設(shè)條件判斷焊接件2的形變量是否滿(mǎn)足要求，如果滿(mǎn)足，則說(shuō)明激光噴丸處理工藝質(zhì)量較高，工藝完成，而如果不滿(mǎn)足，則說(shuō)明焊縫201質(zhì)量仍然較低，需要繼續(xù)調(diào)節(jié)。此時(shí)可根據(jù)焊接件2的形變分布情況調(diào)整兩束激光的強(qiáng)度，比如可將其中一束激光的功率增大，同時(shí)將另一束激光的功率減小，并且使形變量較大的分布區(qū)域使用較大功率的激光進(jìn)行噴丸處理，而形變量較小的分布區(qū)域則使用較小功率的激光進(jìn)行噴丸處理。

如圖2所示，圖2為本發(fā)明所提供的一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖。

本實(shí)施例還提供一種金屬薄壁件鉚改焊結(jié)構(gòu)的激光噴丸輕量化裝置，主要包括夾持機(jī)器人5、掃描設(shè)備4、主控機(jī)1和激光器3。其中，夾持機(jī)器人5主要用于夾持并固定焊接件2，一般可使其保持水平。掃描設(shè)備4主要用于掃描焊接件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(jī)1與掃描設(shè)備4信號(hào)連接，主要用于根據(jù)掃描設(shè)備4的掃描結(jié)果生成激光處理路徑。激光器3與主控機(jī)1信號(hào)連接，主要用于按照主控機(jī)1計(jì)算出的激光處理路徑對(duì)焊縫201的兩側(cè)表面進(jìn)行激光噴丸處理，同時(shí)，主控機(jī)1還能控制激光器3的功率大小。

考慮到在對(duì)焊縫201進(jìn)行激光噴丸處理時(shí)，可同時(shí)通過(guò)兩束激光對(duì)焊縫201的表面和底面進(jìn)行噴丸處理，此種情況需要保證兩束激光的協(xié)同性，為此，本實(shí)施例增設(shè)了反射鏡7。反射鏡7具體可架設(shè)在激光器3的出射口前端，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度的改變調(diào)節(jié)從反射鏡7中反射出的激光光束，如此，通過(guò)多次調(diào)節(jié)即可將上下兩束激光調(diào)節(jié)到焦點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)的情況。

同時(shí)，如前所述，為防止激光灼燒焊縫201表面，同時(shí)進(jìn)一步提高焊縫201質(zhì)量，增加焊縫201強(qiáng)度，可在焊縫201的表面涂覆吸收層8和約束層9。具體的，本實(shí)施例中增設(shè)了涂覆機(jī)器人6，如圖4所示，圖4為圖2中所示的涂覆機(jī)器人6的作業(yè)情況示意圖。該涂覆機(jī)器人6的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)械臂，在其機(jī)械臂的末端可設(shè)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的涂裝。

另外，為保證夾持機(jī)器人5能夠穩(wěn)定地夾持焊接件2，本實(shí)施例在夾持機(jī)器人5的末端增設(shè)了吸盤(pán)10，如圖3所示，圖3為圖2中所示的夾持機(jī)器人5的夾持結(jié)構(gòu)示意圖，由于焊接件2為金屬薄壁件，表面光滑度較高，因此夾持機(jī)器人5可通過(guò)吸盤(pán)10牢固地吸附焊接件2。

不僅如此，激光器3、掃描設(shè)備4、夾持機(jī)器人5和涂覆機(jī)器人6均可通過(guò)工控機(jī)9與主控機(jī)1進(jìn)行通訊，從而主控機(jī)1可以將控制信號(hào)發(fā)送到激光器3、掃描設(shè)備4、夾持機(jī)器人5和涂覆機(jī)器人6各自對(duì)應(yīng)的工控機(jī)9上，控制四者執(zhí)行相應(yīng)操作。

對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。