航天发动机再生冷却结构光纤激光-电弧复合焊接焊缝精确成形控制基础研究

With the development of aerospace industry, the regenerative cooling components in space engine tend towards large sizes, complex surfaces, densely weld beads and extreme service conditions. on the other hand, more and more new materials, new structures are used in such structures. These new requirements have a great challenge on the traditional manufacturing technologies such as electroforming, brazing, arc welding. Consequently, laser welding receiving extensive attention for its comparative advantages. On the basis of pre-research for laser-TIG hybrid welding of regenerative cooling structures, the characteristics of hybrid heat source, energy coupling, features of joint geometry and weld pool surface morphology and temperature distribution would be investigated in this project. Using high-speed camera, spectrometer, arc parameters recorder, beam quality diagnostic equipment and numerical calculation, the fiber laser- TIG arc interaction, energy coupling mechanism and the features of joint geometry are revealed. Furthermore, the relationship between pool surface characteristic and joint geometry is established. The research results can establish the theoretical and technical foundation for laser manufacturing of regenerative cooling sandwich panels.

随航天工业发展，再生冷却构件趋向大构件尺寸、复杂型面结构、焊道密集和服役条件极端等特点，并要求越来越多地采用新材料、新结构，这些新的要求对传统的制造技术提出了挑战，常规的电铸、钎焊、弧焊方法已不能满足需要，而激光焊接成为具有比较优势的连接技术。本项目在前期预研的基础上，针对密集再生冷却构件激光-电弧复合焊接成形制造时的激光-电弧复合热源特性、能量耦合、焊缝成形规律及熔池表面形貌、温度分布等特征参量与焊缝成形相关性等基础问题，拟采用高速摄像仪、瞬态光谱仪、电弧参数记录仪、光束质量诊断仪等先进手段结合数值计算、全正交工艺试验等方法，揭示光纤激光-TIG相互作用及能量耦合机制及其对焊缝成形的影响规律，并建立熔池表面特征参量映射焊缝成形的数学模型。项目研究成果可为完全自主知识产权的再生冷却通道夹层壁板激光焊接成形制造技术奠定理论及技术基础。

激光-电弧复合焊接成形制造时的焊缝成形精确控制是工程应用的瓶颈之一。但是由于焊接时高温熔池无法直接观察，常规测试设备也无法使用，长期以来一直是焊接过程控制的难点和研究热点。激光深熔焊的焊接熔池-小孔等包含丰富的反映焊接质量的信息，本项目围绕激光-电弧复合热源特性、能量耦合、深熔小孔壁的直接原位观察及熔池边缘实时检测实现等基础问题开展研究工作。完成的主要研究内容包括：1）掌握了TIG电弧对光纤激光焊接羽辉及焊接过程的影响规律，揭示了光纤激光-电弧复合热源的激光-电弧相互作用机制，结果表明复合热源作用下，其焊接熔深相比于单光纤激光焊接显著提高约20%，同时飞溅数量明显减少，焊接过程稳定性也明显提高。基于电弧对羽辉形态的影响，提出了激光-旁路电弧复合焊接方法。2) 小孔壁也是激光与材料相互作用及能量耦合的直接作用界面，直接观测小孔壁的形貌是焊缝精确成型控制的基础，发展了高功率光纤激光焊接深熔小孔壁的原位光学观察新方法。结果表明，深熔小孔孔壁上存在一系列以光束中心为圆心的同心圆环，蒸发反冲压力排出熔液形成小孔的过程类似于活塞效应。3) 自主开发了基于辅助激光主动照明的焊接熔池特征参数检测系统，通过计算机视觉技术提取并分析熔池图像中特征信息，实现激光深熔焊接质量在线实时监测。4）开发了几种钛合金、不锈钢及铝合金的激光-TIG电弧复合焊接新工艺技术。项目研究成果为激光焊接焊缝成形控制奠定理论及技术基础。在本项目的支持下，在Weld.J.、Sci. Technol. Weld. Join.、Laser Phys. Lett. 、Opt. Laser Technol. 等权威期刊共发表SCI检索论文8篇，EI检索论文5篇，获授权国家发明专利1项，软件著作权1项。