摘要
针对框桁式火箭贮箱壁板结构双激光束双侧同步焊接（DLBSW）变形开展仿真研究。首先，建立了框桁式火箭贮箱壁板结构DLBSW有限元模型，并通过试验验证了该模型的可靠性；其次，重点考察了焊接顺序与方向对框桁式火箭贮箱壁板结构激光焊接变形的影响，获得了变形控制策略；最后，采用该优化方案，成功完成了框桁式火箭贮箱DLBSW壁板的研制。结果表明，采用“交叉中心焊”的焊接顺序，可极大程度地降低焊接变形；在焊接顺序优化的基础上，改变中间三条焊缝的焊接方向，可进一步降低焊接变形。
关键词
2219铝合金的比强度高、焊接性好、断裂韧性高、高低温性能好，广泛应用于航空航天领域中承载结构件的制
贮箱筒段通常由壁板结构拼焊连接形成。目前，贮箱壁板内弧面一般采用铣切加工出分布规则或不规则的网格凸筋，以实现贮箱的轻量化制造，包括机械铣切与化学铣
（a） 铣切加工示意图
（b） 铣切加工装备
图1 铣切加工技
Fig.1 Milling technolog
（a） 贮箱示意图
（b） 贮箱壁板示意图
（c） DLBSW示意图
图2 框桁式火箭贮箱壁板结构DLBSW技术
Fig.2 DLBSW technology for frame-truss tank wall structure
T型结构DLBSW技术作为一种先进的连接技术，具有能量密度集中，焊接变形小，焊缝质量好等优
目前，DLBSW技术已经逐渐受到诸多航空航天科研院所的广泛关注。本文针对框桁式火箭贮箱壁板结构开展激光焊接技术研究，重点考察焊接顺序与方向对框桁式火箭贮箱壁板结构激光焊接变形的影响，以获得框桁式火箭贮箱壁板结构的变形控制方案，为将来DLBSW技术在框桁式火箭贮箱壁板结构的应用奠定基础。
激光焊接设备包括KUKA机器人、TruDisk12003碟片激光器及相关配套夹具。两台KUKA机器人对激光焊接头进行固定，通过机器人的六轴联动系统实现激光头方位的调整。
本文所用材料为2219铝合金。为保证焊接过程的稳定性，在蒙皮与桁条接触的两侧预加工了两个1.5 mm×1.5 mm的小凸台以替代填丝。DLBSW原理图如
图3 DLBSW原理图
Fig.3 Schematic diagram of DLBSW and weldment
火箭贮箱壁板结构为筒段的八分之一，每块贮箱壁板上的桁条数量为5根，可防止实际焊接过程中激光头与桁条发生碰撞，保证焊接过程中激光束可顺利地以30°的入射角度作用于焊接位置。本文所采用的T型接头以预置双小凸台的方式替代填丝，因此在进行有限元网格划分时，需对凸台区域的几何进行简化，以满足仿真需求。如
图4 T型接头焊接前后的形貌示意图
Fig.4 Cross-section of T-joint before and after welding
此外，为兼顾计算效率与精度，本文采用过渡网格划分的方式处理焊缝区和非焊缝区的网格尺
（a） 贮箱壁板结构整体网格模型
（b） 焊缝区域局部网格
图5 贮箱壁板结构网格模型
Fig.5 Mesh model of tank wall structure
在T型接头DLBSW过程中，根据激光能量分布特征，采用如
| (1) |
| (2) |
| (3) |
式中：α、QS、rs分别代表面热流集中系数、面热源功率、面热源有效作用半径；β、γ、H、QV、rv、η分别代表体热流集中系数、体热源衰减系数、热源深度、体热源功率、体热源有效作用半径、热源有效吸收系数。
（a） 双焊接热源加载示意图
（b） 激光热源模型示意图
图6 激光焊接热源
Fig.6 Schematic of laser welding source
对于边界条件的加载，除加载焊接面热流，焊接体热流到焊缝区域单元外，还应考虑焊件与外界的热交换条件。焊接热量损失主要以热辐射与热对流为主，焊缝区主要以对流散热为主，辐射散热并不显著。为计算方便，在仿真中将工件的热辐射与热对流结合，设定外表面与空气对流换热，换热系数为40 W/（
如
图7 实验与模拟结果对比
Fig.7 Comparison between the experimental
and simulated results
DLBSW过程温度场分布特征及热循环曲线如
（a） 焊接温度场
（b） 焊接热循环曲线
图8 焊接温度场分布特征及热循环曲线
Fig.8 Temperature field distribution and thermal cycle curve during welding
由热循环曲线可知，当焊接热源移动至采样点所在横截面处，各点温度几乎同时开始上升。但不同位置节点升温速度不同，距焊缝中心距离由远到近，升温速度逐渐增大。其中，焊缝中心的升温速度远高于焊缝边缘，而距焊缝中心较远处的母材金属升温十分缓慢，在整个热循环曲线中，焊缝中心的温度峰值最高，达到了1 413.78℃，而焊缝边缘的温度明显较低，仅为644.51℃，这是由于激光加热作用高度集中的结果。在随后的冷却阶段，焊缝区域的温度又迅速降低，其中焊缝中心温度从1 413.78℃降低到600℃以下所需的时间不足0.5 s，这是由于铝合金具有较高的导热系数所导致的。
火箭贮箱壁板结构包括五根桁条，这意味着该结构的焊接存在若干种焊接顺序方案。本文设计了3种焊接顺序方案，如
（a） 中心对称焊
（b） 外侧对称焊
（c） 交叉对称焊
图9 贮箱壁板结构焊接顺序示意图
Fig.9 Schematic diagram of welding sequence for tank wall structure
焊接顺序（1）“42135”先焊中间焊缝C，再依次焊接其相邻的焊缝B和D，随后焊接边缘的焊缝A和E，即“中心对称焊”；焊接顺序（2）“13542”先依次焊接外侧的焊缝A和E，再焊接其相邻的焊缝B和D，随后焊接最中间的焊缝C，即“外侧对称焊”；焊接顺序（3）“14352”先焊两边焊缝A和E，再焊接中间焊缝C，随后依次焊接缝B和D，即“交叉对称焊”。
如
（a） 中心对称焊
（b） 外侧对称焊
（c） 交叉对称焊
图10 不同焊接顺序下的贮箱壁板结构焊后变形分布
Fig.10 Welding deformation distribution for tank wall structure under different welding sequence
综上，焊接顺序对火箭贮箱壁板结构焊后变形的影响十分显著，采用“交叉对称焊”的焊接顺序方案所获得的焊后变形最小。
基于优化的焊接顺序，进一步分析焊接方向对火箭贮箱壁板结构激光焊接变形的影响。本文设计了两种焊接方向方案（
图11 贮箱壁板结构焊接方向示意图
Fig.11 Schematic diagram of welding direction
（a） 方案一 （b） 方案二
for tank wall structure
（a） 方案一
（b） 方案二
图12 不同焊接方向下的贮箱壁板结构焊后变形分布
Fig.12 Welding deformation distribution for tank wall structure under different welding direction
综上，在“交叉对称焊”焊接顺序方案的基础上，改变焊缝B、C、D的焊接方向，可进一步降低火箭贮箱壁板结构的焊接变形。最终采用优化后的焊接方案完成了激光焊接贮箱壁板结构实物件的研制工作。
本文针对框桁式火箭贮箱壁板结构开展激光焊接技术研究。采用“高斯面热源+柱状体热源”组合的热源模型，可有效地模拟2219铝合金T型结构DLBSW过程的温度场分布特征，熔池表面形貌大致呈椭圆形。基于校核后的热源模型，针对火箭贮箱壁板结构开展焊接变形仿真研究。采用“交叉对称焊”顺序方案，并改变焊缝B、C、D的焊接方向，可极大程度地降低焊接变形，仿真结果显示，最大焊后变形仅为3.86 mm。
参 考 文 献
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