高功率激光加工裝備推動航空航天領域的發(fā)展

羅敬文

（上海團結普瑞瑪激光設備有限公司，上海 201111）

1 激光加工的主要特點和應用概況

激光加工具有高亮度、高方向性、高單色性、高相干性四大特點。目前，經(jīng)由聚焦后獲得極高的能量密度的激光光束，已廣泛應用于切割、焊接、熔覆、打孔和材料改性等激光工業(yè)。激光行業(yè)能有如此迅速而密集的發(fā)展，得益于其不可比擬的生產(chǎn)優(yōu)勢：首先，切割加工無需模具，可代替采用復雜模具沖切的加工方法，能大大縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本；其次，焊接熱影響區(qū)小，因而熱變形小、焊縫致密、加工污染小、無噪聲；第三，激光可切割大部分的金屬和非金屬材料，尤其是其他工藝方法無法加工的超硬材料和稀有金屬等。

迎著良好的發(fā)展勢頭，迄今為止，激光加工已被廣泛應用于航空航天、船舶制造、汽車制造、電氣制造、運輸機械、紡織機械、糧食機械、兵器工業(yè)、農(nóng)業(yè)機械、特種汽車、食品機械、醫(yī)療機械、工程機械、石油開采、木工機械、激光加工、工具制造、印刷包裝、廚房設備等行業(yè)，以及專業(yè)化鈑金加工、鋼材及不銹鋼專業(yè)化市場、鋼結構、倉儲物流設備、機床及附件制造、儀器儀表和科研院校。其中，用于切割的激光設備（占激光應用設備的60%），70%的設備用于金屬2D激光切割，應用領域有電器開關、電梯制造、紡織機械、糧食機械、工程機械、國防工業(yè)、汽車制造、工量刃具、輕工機械、石油機械等;20%用于非金屬激光切割，如印刷包裝行業(yè)中的刀模板的切割，工藝美術和裝飾行業(yè)中的像冊封面的切割和美術字體廣告標牌的切割等；10%用于金屬3D激光切割，包括汽車廠試制車型，中小批量車型的柔性化生產(chǎn)，航空發(fā)動機葉片、輪轂的激光切割等。此外，制造業(yè)中相當部分的焊接由激光完成(約占25%)，激光特種加工、激光熱處理、熔覆（3D打?。┰O備均已用于航空零件及葉片的直接制造、汽車及內(nèi)燃機缸套、活塞、曲軸、軋輥、鉆桿的加工（約占15%）。

2 國內(nèi)高功率裝備市場的發(fā)展趨勢

從國際切割裝備市場來看，中國市場的發(fā)展?jié)摿薮?。中國激光切割裝備的應用比國外發(fā)達國家要滯后約10年，但在時間上，我國還有廣闊的發(fā)展前景。金融危機前，全球大功率激光切割裝備每年需求量約為4 000臺，在歐洲銷售量約占38%，在美洲約占28%，其余約30%主要在日本和亞洲其他國家與地區(qū)。20007年前，中國每年引進的設備約200臺，約占需求總數(shù)的4%，我國自主生產(chǎn)的激光裝備，無論是在國內(nèi)還是在國外都有巨大的市場優(yōu)勢。到目前為止，日本約有總量為11 000臺的大功率激光裝備，而中國僅為4 000臺，我國在生產(chǎn)制造技術革新中，還有很大的提升空間。

從中國市場激光切割裝備的需求量變化來看，大功率激光切割裝備的需求在中國經(jīng)歷了一個由慢到快的發(fā)展過程。1985～1990年，我國每年的需求量約10臺，國人對此項新技術的認識處于萌芽階段，購買者幾乎全部為國有企業(yè)；從1991～2000年，激光切割技術已逐漸被認識，但由于設備價格昂貴，平均每年需求量不足40臺，銷售對象以國有企業(yè)為主，民營企業(yè)為輔；2001～2005年，由于改企轉制的到位，加之中國成功加入WTO，世界制造基地的逐漸形成，國內(nèi)市場需求量從2001年的80臺躥升至2005年200臺套；2005年以后，我國進入了快速發(fā)展期，國內(nèi)市場需求量僅2010年就達到近1 100臺。

3 高功率激光裝備在航空航天領域的應用

對于三維航空零件，我們已經(jīng)利用三維激光切割機進行了各種工藝所需的加工。株洲南方動力機械廠（國營331廠）的發(fā)動機輪轂的三維切割就是由普瑞瑪三維激光切割機完成的，此外，整流罩、飛機上椎體結構等三維零件都能使用激光完成立體切割。

空中客車A380(Airbus A380)是歐洲空中客車工業(yè)公司研制的550座級超大型遠程寬體客機，與波音747-400相比，空中客車A380投產(chǎn)時多提供了約35%的座位和49%的地板空間，使其擁有更寬的座椅、更開闊的空間，而且座位英里成本比最有效的飛機低15%～20%。A380機身艙體第13區(qū)及第18區(qū)共計7個部分，就是運用了激光焊接代替原來的鉚釘鉚接的連接方法，使機身總質量減輕了20 t（機身凈重的15%），成本下降了25%，這就為增加座位、提高運載量、降低耗油量提供了最大可能。從2001年開始試點安裝，2003年開始批量生產(chǎn)，A380共計使用了10臺板條激光器用于生產(chǎn)及試樣，其中，1997年Nordenham工廠安裝的兩臺3D系統(tǒng)CO2激光器，加工幅面為6 m×3 m×0.9 m，速度達到10 m/min，不僅提高了加工速度20～40倍，而且成本也大幅縮減。A380在投入服務后，打破波音747在遠程超大型寬體客機領域統(tǒng)領35年的紀錄，結束了波音747在市場上30年的壟斷地位，成為載客量最大的民用客機。

由于激光熔覆直接制造零件工藝裝備的突破，該項工藝也將得到突飛猛進的發(fā)展。激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光輻照，使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低、與基體成冶金結合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達到表面改性或修復的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重金屬。與之同理的3D打印是快速成型技術的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。現(xiàn)在，導彈的尾翼、殲十五飛機的起落架、商用飛機的機翼骨架都應用了激光熔覆技術，既保證了構件的強度，又降低了成本。

激光沖擊強化技術是利用強激光束產(chǎn)生的等離子沖擊波，提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術。被激光沖擊強化的航空發(fā)動機葉片，壽命能得到成倍提高。首先，葉片表面會被涂上涂層，其作用主要是保護葉片不被激光灼傷并增強對激光能量的吸收。然后高功率密度、短脈沖的激光通過透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時，涂層吸收激光能量迅速氣化并幾乎同時形成大量稠密的高溫等離子體。該等離子體繼續(xù)吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強度沖擊波作用于金屬表面。當沖擊波的峰值壓力超過材料的動態(tài)屈服強度時，葉片發(fā)生塑性變形并在表層產(chǎn)生平行于材料表面的拉應力。激光作用結束后，由于沖擊區(qū)域周圍材料的反作用，其力學效應表現(xiàn)為葉片表面獲得較高的殘余壓應力。殘余壓應力會降低交變載荷中的拉應力水平，使平均應力水平下降，提高了葉片疲勞裂紋萌生壽命。同時殘余壓應力的存在，可引起表面裂紋的閉合效應，從而有效降低疲勞裂紋擴展的驅動力，延長疲勞裂紋擴展壽命。美國20世紀90年代后期開始的航空發(fā)動機高頻疲勞研究計劃中，將激光沖擊強化技術列為工藝技術措施首位。目前，美國研制的航空發(fā)動機葉片壽命已達到2 000 h，俄羅斯達到1 000h，而我國僅為400 h，還處于初期開發(fā)階段。

美國當?shù)貢r間2003年2月1日，載有七名宇航員的美國哥倫比亞號航天飛機在結束了為期16天的太空任務之后，返回地球，但在著陸前發(fā)生意外，航天飛機解體墜毀。這種墜毀就是由于艙體表面和大氣層摩擦中溫度過高，超高溫空氣從機體表面縫隙入侵隔熱瓦下部進而熱化機身最終爆炸。而利用激光在復合材料表面噴涂耐高溫的涂層，例如陶瓷粉涂層，就能在表面形成保護隔熱層，避免類似事件的發(fā)生，這種方法稱為激光噴涂。而與之相比較的傳統(tǒng)等離子噴涂，在很多方面都不如激光噴涂。激光噴涂表層穩(wěn)定性和牢固性更好，且噴涂材料涵蓋了金屬材料和非金屬材料，應用范圍更廣，包括各種航空航天設備和軍事突防武器。

激光涂層清洗是美國和波音公司合作開發(fā)，用來剝離飛機軍艦表面涂層的工藝。一般的航天航空飛行器表面都有六層涂層，每層都有相應的防護作用，涂層脫落就需要從新涂上表面涂層，這就需要把殘缺的涂層全部剝離，傳統(tǒng)的方法是機械刮除，深淺控制不好，極易破壞更深的涂料。而激光的高精密性就能精確地控制破壞深度，安全地清洗掉飛機表面涂層。

另外，也能將激光用于飛機發(fā)動機的輪轂打斜孔，方便冷空氣竄入以冷卻發(fā)動機，將溫度控制在正常范圍之內(nèi)，從而延長發(fā)動機的使用壽命，這就是激光打孔。

各種激光武器也已經(jīng)被陸續(xù)研發(fā)出來，美國雷神公司采用高功率激光制成的20萬kW的激光炮已在三年前成功擊落了無人機。試驗表明，激光炮可以用于戰(zhàn)場打擊多種常見目標，這樣，激光武器也從最初主要設想用于反制衛(wèi)星、導彈和飛機這類昂貴目標，擴大到對一切戰(zhàn)場工具的打擊。

4 結論

中國在今后的一段時期內(nèi)，不但切割裝備快速增長，焊接裝備也會迎來大好的發(fā)展時機，大功率激光3D切焊一體機、大功率激光特種加工裝備、大功率激光加工FMS系統(tǒng)、大功率激光焊接工業(yè)系統(tǒng)將在我國各行各業(yè)被廣泛應用，同時在國防、航空航天領域將發(fā)揮出巨大的作用。