铝锂合金光纤激光切割的研究

发布时间：2019-07-12 09:08

【摘要】：铝锂合金凭借轻质高强的特性成为航空航天领域应用最为广泛的材料,相较于传统铝合金材料,铝锂合金密度更低,强度也更高,同时铝锂合金还具有疲劳裂纹扩展速率低、高温及低温性能良好等特性。近几年兴起的光纤激光器,作为第三代激光器的代表,有着光电转换率高,波长短,加工柔性高等传统激光器无法比拟的优势,更进一步推进了激光切割向高精度高效率领域的应用。然而关于采用光纤激光切割铝锂合金的研究鲜有报道。本文采用4k W光纤激光器对2.0mm厚2198铝锂合金进行了单因素切割试验,选取挂渣高度、切缝宽度、表面粗糙度作为切割质量的评价指标,研究了典型的工艺参数(如离焦量、辅助气压、激光功率、切割速度等)对切割质量的影响规律,得出离焦量-1.5 mm,辅助气压1.6 MPa,激光功率1000 W,切割速度3/min为连续激光模式下的优化参数。在上述基础上,还开展了脉冲激光切割正交试验,发现脉冲激光模式下能获得更好的切割质量,通过包括直观分析、方差分析、信噪比分析在内的数理统计方法对工艺参数进行进一步的优化与设计,最终的切割质量为:挂渣高度0.087mm,表面粗糙度4.81μm,此时的工艺参数为激光功率1000W,切割速度1.8m/min,频率150Hz,占空比80%,气压1.6MPa。激光加工的实际应用中多针对三维复杂曲面件,在平板切割的基础上本文还探讨了影响切割质量的两个重要因素:光束入射角与光束姿态。同时基于高速摄像技术对切口前沿熔融金属进行了图像的采集与分析,建立了切割条纹间距与工艺参数的关系模型,并通过实验验证了这一模型的准确性:切割条纹间距随激光功率、辅助气体压力的增大而减小。
文内图片：铝锂合金在A350XWB外翼、国产某大型商用飞机机身上的应用

图片说明：燃油箱等部位[13]，上述部位越来越广泛地采用铝锂合金大型壁板及蒙皮结构装配来。在铝锂合金整体壁板制造的过程中，激光切割以其高精度、高效率、可加工意三维复杂曲面等特点，在蒙皮下料、蒙皮的三维切割以及焊接整体件的余量切等方面发挥重要作用，完全可以替代冲孔、落料、修边模具，缩短更新换代周期同时具有切割精度高，质量好，耐蚀等性能，因而拥有广阔的应用前景。全球应用铝锂合金的领导者是空客公司，A380 飞机机身结构中铝合金材料占达 62%，其中 2099 和 2196 铝锂合金位于地板横梁上[14]，如图 1-1 所示图 1-1 铝锂合金在空客 A380 上的应用
文内图片：铝锂合金在空客A380上的应用

图片说明：随着航空航天业的高速发展，面向节能减排的大背景，人们对飞行器的重量、能源消耗等不断提出新目标，轻量化的重要途径便是采用新型材料。铝锂合金的采用，对飞行器重量的减轻、续航能力的提高和机动性的增强、导弹射程的增加及减少能源消耗等均具有重要作用，因而获得广泛应用。激光切割作为一种高精度的先进制造技术在航天器制造的众多工艺中脱颖而出，成为机身制造过程的不二选择。目前铝锂合金应用在飞机框架、竖直装配面、襟翼翼肋、舱门、进排气道外口、燃油箱等部位[13]，上述部位越来越广泛地采用铝锂合金大型壁板及蒙皮结构装配而来。在铝锂合金整体壁板制造的过程中，激光切割以其高精度、高效率、可加工任意三维复杂曲面等特点，在蒙皮下料、蒙皮的三维切割以及焊接整体件的余量切除等方面发挥重要作用，完全可以替代冲孔、落料、修边模具，缩短更新换代周期，同时具有切割精度高，质量好，耐蚀等性能，因而拥有广阔的应用前景。全球应用铝锂合金的领导者是空客公司，A380 飞机机身结构中铝合金材料占比达 62%，其中 2099 和 2196 铝锂合金位于地板横梁上[14]，如图 1-1 所示
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG48

【相似文献】