本发明涉及焊接，尤其涉及一种机翼骨架和蒙皮的焊接方法。
背景技术：
1、激光焊接具有能量密度高、热影响区小、空间位置转换灵活、焊接速度快等优点，在航空航天领域的薄壁机翼制造中展现出巨大的潜力和优势。
2、然而，激光焊接在机翼制造中的应用面临着一系列挑战，尤其是在控制焊接变形和确保焊接质量方面；以下是激光焊接机翼时的主要难点和原因：(1)焊接变形难控制：a.激光焊接过程中的高能量输入可能导致焊接区域及其附近区域的温度迅速升高，从而产生热膨胀和不均匀的热应力，引起变形；b.机翼的构件通常由钛合金等轻金属材料制成且均为薄壁件，由于轻金属材料的高热膨胀系数和薄壁件的刚度较小的特性，可能导致焊接变形加剧；c.机翼的结构较复杂，焊接接头位置较多，更容易产生焊接应力的累积导致结构变形；(2)焊接质量难保证：a.在机翼的多接头焊接中，实现既简便易操作又有效保护每个焊缝的背气保护方式是一项挑战，背气保护不佳会导致焊缝氧化、夹杂等缺陷；b.由于机翼的结构和材质特点，对焊接参数的敏感性较高，参数的微小变化都可能导致焊接缺陷，如气孔、裂纹、未熔合、咬边、凹陷等缺陷；c.在机翼的多接头焊接中，由于接头形式设计不合理或者受到制造和装配工艺限制，很难同时满足轻量化、高强度、焊接效率高的要求。
3、基于上述分析，亟需提供一种机翼骨架和蒙皮的焊接方法，以有效控制和减少焊接变形，显著提高焊接质量，这对于提高飞行器的整体性能和可靠性具有重要意义。
技术实现思路
1、鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种机翼骨架和蒙皮的焊接方法，用以解决现有的激光焊方法在应用于机翼制造时，存在焊接变形难控制，焊接质量难保证的问题。
2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
3、本发明提供了一种机翼骨架和蒙皮的焊接方法，包括以下步骤：
4、s1、设计用于焊接机翼骨架的工装夹具；
5、其中，机翼骨架为薄壁网格结构，主要由沿第一方向平行的m个纵向构件和沿第二方向平行的n个横向构件通过m*n个节点形成，每一个横向构件包含m-1个横筋；m≥3，n≥3；第一方向与第二方向不同；
6、机翼骨架的工装夹具包括：基板，设置于基板上的定位机构、夹紧机构；
7、s2、采用3d打印方法制造机翼骨架的所有纵向构件和横筋；其中，在建立3d打印的模型时，m个纵向构件设计为包括含沿第二方向的2×n×(m-1)个连接端头，以精确与每个横筋的两个端面对接形成2×n×(m-1)个对接接头；位于机翼骨架最外侧的纵向构件和横向构件的内侧边设计为包括与蒙皮等厚度的台阶槽；位于机翼骨架内部的纵向构件和横筋上预留通气孔以使得每个网格结构连通；
8、s3、将所有纵向构件和横筋装配在工装夹具上，通过合理设计的定位机构、夹紧机构，控制焊接变形和满足装配公差要求；
9、s4、对焊缝处进行正面保护和背面保护，在惰性气体的保护下，按照从第一方向的一端至另一端，沿第二方向从一侧至另一侧依次对机翼骨架的2×n×(m-1)个对接接头进行焊接，得到机翼骨架。
10、进一步地，s3具体包括以下步骤，
11、s31：将第一纵向构件与定位机构配合、定位，在第一纵向构件位于任意两个相邻对接接头之间的1/5～4/5区段设置夹紧机构；
12、s32：沿第一纵向构件的一端至另一端，依次将n个横筋装配在基板上，在每个横筋的1/3～2/3区段设置夹紧机构；
13、s33：将第二纵向构件装配在基板上，在第二纵向构件位于任意两个相邻对接接头之间的1/5～4/5区段设置夹紧机构；
14、交替重复s32，s33，装配第三纵向构件至第m-1纵向构件和其余的横筋；
15、s34：将第m纵向构件装配在基板上；在第m纵向构件位于任意两个相邻对接接头之间1/5～4/5区段设置夹紧机构，在第m纵向构件的外侧且正对每一个对接接头设置夹紧机构。
16、进一步地，s1中，第一方向和第二方向的夹角为85°～95°。
17、进一步地，s1中，纵向构件和横筋的截面形状为工字型、π型的一种或者其组合；和/或，纵向构件和横筋的壁厚为2mm～10mm。
18、进一步地，还包括以下步骤：
19、s5、将s4得到的机翼骨架和待焊蒙皮装配在用于焊接机翼骨架和蒙皮的工装夹具上；通过工装夹具上合理设计的骨架侧压机构、蒙皮压紧机构，控制焊接变形和满足装配公差要求；具体包括以下步骤：
20、s51：将机翼骨架装配在工装夹具上，在第一纵向构件和第m纵向构件位于任意两个相邻对接接头之间设置两个骨架侧压机构；
21、s52：将上、下蒙皮搭接在s2所述台阶槽上，通过在上蒙皮和下蒙皮外侧且沿着机翼骨架内的m-2个纵向构件和n-2个横向构件与上蒙皮和下蒙皮接触部分设置2×(m+n-4)个蒙皮压紧机构，确保蒙皮固定并压紧在工装夹具上，且蒙皮四周与机翼骨架形成表面平齐的对接接头；每个蒙皮压紧机构上开设可容纳相应纵向构件或横向构件与蒙皮接触面大小的槽；
22、s6、对焊缝处进行正面保护和背面保护，在惰性气体的保护下，进行焊接，得到机翼骨架和上下蒙皮的组合体；具体包括以下步骤：
23、s61：沿第一方向从一端至另一端，依次焊接第二横向构件，第三横向构件……第n-1横向构件与蒙皮的接触部分；对于每一个横向构件，沿第二方向从一侧至另一侧同向施焊；
24、s62：沿第二方向从两侧至中间，依次焊接第二纵向构件，第m-1纵向构件，第三纵向构件，第m-2纵向构件……至第1/2*m纵向构件或者第1/2*(m+1)纵向构件与蒙皮的接触部分；对于每一个纵向构件，沿第一方向从两端至中间对称施焊；
25、s63：对机翼骨架外侧的两个纵向构件和两个横向构件与蒙皮的接触部分进行锁底焊。
26、进一步地，s4中，背面保护的主要步骤包括：在每个对接接头的背面，用柔性密封材料原位搭建一个密封罩，在密封罩上开孔以形成惰性气体的入口和出口；和/或，
27、s6中，背面保护的主要步骤包括：利用步骤s2中预留通气孔的机翼骨架与上下蒙皮自形成封闭且连通的气路环境，惰性气体从机翼骨架的一端进入，另一端排出。
28、进一步地，s3和s5中，装配公差要求包括：每个接头处的每一点的对接间隙和阶差不大于0.1mm，局部任意100mm内累计长度不大于30mm的对接间隙和阶差不大于0.2mm。
29、进一步地，步骤s4和s6中，在焊接之前和焊接之后，分别进行弦平面测量，通过对比弦平面测量结果，进行校形。
30、进一步地，步骤s3和s5中，装配包括试装配，修配试装；酸洗，去除氧化皮；正式装配。
31、进一步地，还包括：试装配前，对待焊区域进行预处理，直至露出金属光泽，待焊接面的表面粗糙度ra≤3.2μm。
32、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
33、本发明提供了一种机翼骨架和蒙皮的焊接方法，从多方面(如：工装夹具和装配工序，焊接顺序，弦平面测量和校形)进行优化，有效控制和显著减少了机翼骨架和蒙皮在激光焊接过程中的变形问题，焊接变形可以控制在±0.5％以下；具体来讲，
34、(1)本发明通过优化工装夹具和装配工序，包括定位方案，夹紧方案(夹紧机构类型、夹紧点位置和数量、装配顺序)，有效控制焊接过程中的移动和错位，显著减少焊接变形；a.定位方案：装配机翼骨架的零件时，首先通过工装夹具上的定位机构与第一纵向构件配合，以确定第一纵向构件沿第一方向相对于基板的位置并以此作为其它构件安装时的基准位置，以保证装配时各构件的相对位置；b.夹紧方案：通过选择合适的夹紧机构类型(包括压紧机构、侧压机构、推抵机构、骨架侧压机构、蒙皮压紧机构)，并在合适的位置设置适宜数量的夹紧机构，采用合适的装配顺序对各零件进行刚性固定，确保夹紧力均匀分布，避免在焊接区域产生不必要的约束，同时通过基板对待焊接零件提供的合适支撑点，有效控制焊接过程中的移动和错位，显著减少焊接变形。
35、(2)本发明通过优化焊接顺序，减少焊接应力和焊接变形；例如，在焊接机翼骨架的零件时，采用优选焊接顺序(即，沿第一方向从一端至另一端，沿第二方向从一侧至另一侧依次顺序施焊)先进行定位焊，再进行正式焊；在焊接机翼骨架和蒙皮时，先采用优选焊接顺序(包括沿第二方向从两侧至中间对m-2个纵向构件焊接，每个纵向件沿第一方向从两端至中间对称施焊)进行穿透焊，然后采用优选焊接顺序(包括先焊接最外侧的纵向构件，再焊接最外侧的横向构件)进行四周锁底焊；上述焊接顺序可以使焊缝能较自由地收缩，减少焊接应力的累积，最大限度地减少激光焊接过程中产生的残余应力可能导致的焊接变形。
36、(3)本发明通过弦平面测量和校形，进一步消除焊接产生的微小变形，确保焊接后机翼骨架和蒙皮的几何尺寸精度；具体的，通过焊接前后分别对机翼骨架、机翼骨架+上下蒙皮的组合体进行弦平面测量，比较获得变形点位置和变形量，对机翼骨架、机翼骨架+上下蒙皮组合体进行校形。
37、本发明提供了一种机翼骨架和蒙皮的焊接方法，从多方面(如：接头形式、工装夹具和装配工序、气体保护措施、工艺参数)进行优化，有效减少了激光焊接机翼过程中容易出现的缺陷(包括氧化、夹杂、气孔、裂纹、未熔合、咬边、凹陷)，焊接接头可以同时满足轻量化、高强度、焊接效率高的要求，从而提高了焊接质量；具体包括：
38、(1)本发明通过优化接头形式、工装夹具和装配工序，焊接接头可以同时满足高强度、轻量化、焊接效率高的要求；同时，有效减少裂纹缺陷。
39、a.接头形式：通过3d打印的方式加工出机翼骨架的待焊零件，配合机加精加工确保机翼骨架的零件之间以及骨架与蒙皮四周可以精确对齐形成对接接头的形式，即，纵向构件包括沿第二方向的连接端头，能够与横筋的两个端面一一对接组成对接接头，位于机翼骨架最外侧的纵向构件和横向构件的内侧边包括台阶槽，蒙皮搭接在台阶槽上形成表面平齐的对接接头，相比于机翼骨架的零件之间采用t型接头、机翼骨架与蒙皮的四周直接采用搭接接头，本发明通过3d打印并配合机加精加工以及工装夹具，精确加工并对齐形成对接接头，有效提高机翼骨架和蒙皮的焊接强度，同时焊缝宽度较小，且便于焊接操作，使得焊接接头可以兼顾高强度、轻量化、焊接效率高等优点。
40、b.工装夹具和装配工序；通过精心设计的工装夹具和合理安排装配工序，有效减少了焊接应力和变形，避免残余应力引起的裂纹缺陷，确保焊接得到的机翼骨架和蒙皮的尺寸精度。
41、(2)本发明通过优化气体保护措施，有效减少氧化、夹杂、气孔的缺陷。
42、具体的，针对每个焊缝处均采用惰性气体进行正面保护和背面保护，例如，在焊接机翼骨架的零件时，在每个对接接头的背面，用柔性密封材料原位搭建一个密封罩；在焊接机翼骨架和蒙皮时，借助开设通气孔的机翼骨架和上下蒙皮自形成封闭且连通的气路环境；上述简单易操作且可靠的气体保护措施可以有效防止空气与熔池接触，最大程度上减少轻金属材质的机翼在焊接时可能出现的氧化，夹杂和气孔问题，从而提高焊缝的内在质量。
43、(3)本发明实通过优化焊接的工艺参数，即，针对待焊机翼骨架和蒙皮的结构特点，选择合适的工艺参数，包括：激光功率，离焦量，焊接速度，起熄弧距离、保护气体流量，有效减少了氧化、夹杂、气孔、裂纹、未熔合、咬边、凹陷的问题，显著提高了薄壁类机翼零件的焊接质量。
44、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
1.一种机翼骨架和蒙皮的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的机翼骨架和蒙皮的焊接方法，其特征在于，s3具体包括以下步骤，
3.根据权利要求1所述的机翼骨架和蒙皮的焊接方法，其特征在于，s1中，所述第一方向和第二方向的夹角为85°～95°。
4.根据权利要求1所述的机翼骨架和蒙皮的焊接方法，其特征在于，s1中，所述纵向构件和横筋的截面形状为工字型、π型的一种或者其组合；和/或，所述纵向构件和横筋的壁厚为2mm～10mm。
5.根据权利要求1所述的机翼骨架和蒙皮的焊接方法，其特征在于，还包括以下步骤：
6.根据权利要求1或5所述的机翼骨架和蒙皮的焊接方法，其特征在于，s4中，所述背面保护的主要步骤包括：在每个对接接头的背面，用柔性密封材料原位搭建一个密封罩，在密封罩上开孔以形成惰性气体的入口和出口；和/或，
7.根据权利要求1或5所述的机翼骨架和蒙皮的焊接方法，其特征在于，s3和s5中，所述装配公差要求包括：每个接头处的每一点的对接间隙和阶差不大于0.1mm，局部任意100mm内累计长度不大于30mm的对接间隙和阶差不大于0.2mm。
8.根据权利要求1或5所述的机翼骨架和蒙皮的焊接方法，其特征在于，步骤s4和s6中，在所述焊接之前和焊接之后，分别进行弦平面测量，通过对比弦平面测量结果，进行校形。
9.根据权利要求1或5所述的机翼骨架和蒙皮的焊接方法，其特征在于，步骤s3和s5中，所述装配包括试装配，修配试装；酸洗，去除氧化皮；正式装配。
10.根据权利要求9所述的机翼骨架和蒙皮的焊接方法，其特征在于，还包括：所述试装配前，对待焊区域进行预处理，直至露出金属光泽，待焊接面的表面粗糙度ra≤3.2μm。
