采用“台阶”结构充当填充金属,开展了TC4钛合金T形接头的双光束激光焊接研究。首先对工艺台阶尺寸进行优化,采用优化台阶尺寸在不同激光功率、焊接速度、离焦量下开展双光束激光焊接试验,根据光学显微镜观察、扫描电镜观察、拉伸试验、显微硬度试验对比接头的焊缝形貌及力学性能,确定出了优化的焊接参数。结果表明：台阶尺寸为0.8 mm×0.8 mm时,焊缝表面过渡平滑,无凹陷和外凸现象发生；提高激光功率或降低焊接速度会增大焊缝熔深及结合面面积,只有当焊接速度与激光功率合理匹配的情况下,才可以获得既满足熔深要求又具有足够结合面面积的理想接头；显微硬度测试结果表明热影响区与焊缝的显微硬度均高于母材；焊缝熔深适中时有利于提高T形接头轴向抗拉强度,试验条件下接头抗拉强度达母材抗拉强度的90%以上。研究结果对于钛合金薄壁复杂结构“以焊代铆”实现机身减重和促进我国飞机**集成技术创新发展具有重要意义。

为提高飞机大尺寸结构件T型接头的焊接质量,本课题组研究了新型双光束激光焊接机器人多臂协同焊接轨迹优化问题。本文提出了一种针对双侧焊缝焊接的机器人平顺高效运动的优化策略。首先,提取双曲度壁板上T型接头双侧焊缝和按压桁条的关键路径点信息,根据路径点局部坐标系相对于双光束激光焊接机器人基坐标系的转换矩阵,得到机器人三条机械臂末端的位姿表示;然后,基于双光束激光焊接机器人多轴运动链逆解计算得到机器人各关节的位移或转动角度;再采用5次B样条曲线对18个关节的位移或转动角度进行插补,以双光束激光焊接机器人高效、平稳运动为目标,建立机器人协同焊接作业轨迹优化模型;最后,采用多目标优化算法NSGA(non-dominated sorting genetic algorithm)Ⅲ进行求解,并将求解结果与NSGAⅡ多目标优化算法的求解结果进行对比,结果表明,NSGAⅢ求解计算的时间消耗比NSGAⅡ仅多3.8‰,但得到的Pareto解集的多样性提高了161.29‰,证明了NSGAⅢ优化算法的有效性。

以不锈钢为研究对象，对比研究了单、双光束激光焊接过程中的熔池形态和焊缝形貌，建立了二者之间的相关性。结果表明，单、双光束激光焊接具有不同的熔池形态演变过程，光斑间距会影响双光束激光焊接熔池尺寸及焊缝形貌。双光束焊接过程中匙孔之间的相互作用垂直于双光斑连线方向，形成强烈的熔体流动，而单光束焊接熔体向匙孔周围均匀流动。熔体流动方式的不同是导致单、双光束焊缝形貌差异的关键。

为了实现对T型接头的双光束激光焊接, 采用基于多轴联动数控机床的双光束激光焊接平台和基于视觉传感器的焊缝跟踪控制相结合的方法, 进行了理论分析和实验研究。通过建立平台的运动学模型实现了焊缝的轨迹规划, 设计了基于比例、积分、微分控制的位置环和高速焊接过程中的跟踪算法来提高控制系统的控制精度等, 并且通过焊接试验, 验证了所提出的算法。结果表明, 该焊接跟踪控制系统能够快速、准确地对焊接过程中的偏差进行动态补偿,很好地完成了对T型接头的双光束焊接。

随着汽车轻量化越来越得到重视,钢铝合金异种金属焊接结构成为研究的重点。采用YAG连续(CW)和脉冲(PW)两种激光设备,对连续脉冲双激光束复合热源焊接工艺进行了研究,并借助扫描电镜(SEM)、电子探针微区分析(EPMA)、显微硬度计、拉伸实验机等设备对焊缝进行了分析与测试。实验结果表明,连续激光匹配适当的脉冲激光进行双激光焊接,可以有效地减少或避免气孔的产生,同时可以使用低功率的连续激光实现较深的焊接,扩大低功率激光设备使用范围。 双激光束焊接过程中,由于脉冲激光的作用,焊缝中的Fe穿入Al中,在焊缝底部Fe-Al交界处形成了钩状的不规则结构,这种结构的产生可以增强Fe,Al两种材料的连接强度。在焊缝底部Fe-Al交界处形成了高硬度、高脆性的Fe-Al金属间化合物。钢铝合金双激光搭接焊焊缝剪切强度为128 MPa,剪切断裂断口呈现为准解理型断裂形貌。