面向大型航天结构件的焊缝质量预估建模及管理系统开发

发布时间：2020-07-16 01:54

【摘要】：随着航空航天产业的发展,航天新型号产品对航天器承力贮箱的研制与批产工作提出了巨大的挑战。此前,在贮箱焊接领域,由于航空航天产业处于起步阶段,对贮箱的需求量仅依靠人工就可以满足,业内对如何提高贮箱焊接质量及生产效率没有重视,在一定程度上限制了我国航天工业的进步速度。建立焊接质量预测模型,引入焊接数字化管理系统,对提高焊接效率、保证焊接质量有十分重要的意义。基于上述背景,本文针对2219-T6型铝合金的搅拌摩擦焊焊缝质量预估问题,从焊前阶段入手,研究待焊零件装配情况与焊缝质量的关系模型。首先,选取焊缝间隙、焊缝对中、焊缝错缝作为表征待焊零件装配情况要素,选取接头强度与接头拉伸率作为焊缝质量要素;采用响应曲面法设计试片焊接实验,随后按照标准进行拉伸实验;采用回归分析法对实验数据进行分析,建立待焊零件装配情况与接头强度、接头拉伸率之间的响应曲面回归模型;第二,在蒙特卡洛重要抽样法的基础上,结合装配特征,设计了三种随机变量抽样方法,在响应曲面回归模型的基础上,分别对待焊零件装配情况与接头强度、接头拉伸率的关系模型进行模拟,给出了接头性能的概率密度模型。最后,对激光扫描器所得焊缝点云数据进行三维重建,将其集成在所搭建的焊缝管理系统,为传统的焊接领域引入了数字化管理手段,提高了管理效率,为后期模型训练系统打下了数据基础。焊缝质量预估建模研究结果发现,焊缝间隙在装配质量要素中是影响包括接头强度和延伸率在内的接头性能的关键因素,随着装配间隙的不断增大,接头性能参数会出现明显的下降。另一方面,在焊缝错缝和焊缝对中因素的影响下,焊缝的接头性能会出现非对称性的偏差。在装焊缝间隙为0mm-2mm、焊缝对中为-0.6mm-0.6mm、焊缝错缝为-0.3mm-0.3mm的装配条件下,接头强度分布区间为276Mpa至331 Mpa之间,约为焊缝母材强度的62.95%~75.23%,达到母材强度70%的概率约为68%。接头拉伸率变化范围在4.00%到6.55%之间,整体呈大致的正态分布趋势,达到5.5%的概率约为73%。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP311.52
【图文】：

示意图,原理,示意图,焊材

随着科技地发展与计算能力地提高，数字化焊接开始逐渐进入传统的制1]。航天事业发展起步较晚，且对焊材及焊接质量的要求极高[2]，但需求量域少，导致目前国内在数字化焊接领域的工作主要集中在汽车制造和船个领域[3,4]，而航空航天领域较少。随着航天事业的发展，人们越来越意化焊接对于解决焊接过程的不稳定性与复杂性带来的问题有着至关重要5]：结合数理统计与计算机高效的计算能力，从设计[6]、工艺到焊接[7]、检阶段着手，国内外研究人员开始将专家系统[8,9]、机器人、工作站[10]等众焊接手段引入航天领域，全方位减少误差及返工率，加快焊接周期，实与质量的双重提升。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）[13]作为一种固相连接工艺，是塑性状态下实现的，这是与熔焊等传统焊接方式的本质区别。FSW 利用入焊缝中并施加压力后，以数百转每秒的速度高速旋转，致使摩擦生热缝处温度。当温度足够高时，焊材将由固态转换为塑性态，再经搅拌头缝相邻区域。随着搅拌头的前进，温度逐渐降低，焊材由塑性态再回到固焊缝地连接[12]。示意图如图 1-1。

模型图,箱底,焊接设备,模型图

图1-2 贮箱瓜瓣及壳体示意图(a) (b)图1-3 筒段及箱底焊接设备模型图每个贮箱通常由两个箱底和三至五个筒段构成。每个筒段由四个壳段经由纵焊焊接而成；箱底则分为三片瓜瓣及一片带法门的瓜瓣，经由环焊焊接而成。航天运载火箭的低温燃料贮箱体积巨大，要求用于制造贮箱的材料需具备轻便的特性，且能在低温环境下提供优异的热处理后强度。目前，以美国、法国为代表的航天器制造先进国家，在大型航天飞行器承力式贮箱的设计制造领域很早就开始了智能焊接平台的研究[13]。国内在焊接领域的智能制造的主要工作集中在汽车白车身制造焊接机械手和焊装生产线的设计与制造，机械手主要采购国外如法国 ABB、日本安川的产品，而国内企业重点做应用开发。而在贮箱焊接领域，由于此前航空航天产业处于起步阶段，对贮箱的需求量仅依靠人工就可以满足

装配质量,三要素,对焊

图2-1 FSW对焊装配质量三要素焊接过程中，因存在焊材加工及变形误差、夹具定位误的影响，焊缝的装配质量总会存在一定的偏差，而装配性能的下降。虽然目前针对搅拌摩擦焊接装配质量问题了一定的成果，但在研究方法上依然存在一些不足：仅头性能的影响，没有考虑各因素的综合作用。有文献[19,21,错缝、对中等装配要素对接头强度的影响，并针对单个值。事实上，以上不理想装配情况会同时出现，接头性要素作用的结果。本文设计了一种利用响应曲面法建立焊缝装配质量与焊缝该方法可提供具有显性表达的数学模型，从而反映各装综合影响。利用该数学模型，不仅可以预测装配质量对依据接头性能要求，对装配质量的要素给出约束，从而为数提供数据支持。

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