激光技術(shù)在航空制造中的技術(shù)改造

摘要：激光技術(shù)是一種高效易控、無(wú)接觸式的新型加工方式。在航空制造領(lǐng)域中，激光技術(shù)的應(yīng)用主要包括打標(biāo)、焊接、切割、打孔、熔覆以及航空零部件的精密加工。我國(guó)早已成為航天大國(guó)，神舟系列的載人航天、嫦娥系列的探月考察、天宮系列空間實(shí)驗(yàn)室、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)取得的成就舉世矚目?，F(xiàn)代化航天航空產(chǎn)業(yè)，需要先進(jìn)的激光制造技術(shù)跟進(jìn)。本文在對(duì)航空制造中的激光技術(shù)應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，闡述了目前技術(shù)改造的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù) 航空制造 技術(shù)改造 激光加工

Abstract： Laser technology is a new processing method with high efficiency， easy control and no-contact. In the field of aviation manufacturing， the application of laser technology mainly includes marking， welding， cutting， drilling， cladding and precision machining of aviation parts. China has long become a space power. The achievements of Shenzhou series manned spaceflight， Chang'e series lunar exploration， Tiangong series space laboratory and Beidou satellite navigation system have attracted worldwide attention. Modern aerospace industry needs advanced laser manufacturing technology to follow up. Based on the research on the application of laser technology in aviation manufacturing， this paper expounds the current trend of technological transformation.

Key Words： Laser technology; Aviation manufacturing; Technical transformation; Laser processing

激光加工的原理是使用高能量的激光束切除、熔化，改變工件指定位置的性能，通過(guò)相應(yīng)的控制手段將其按照加工軌跡照射到加工面上實(shí)現(xiàn)的。在激光加工發(fā)展進(jìn)程中，首先是納秒激光的應(yīng)用階段，通過(guò)納秒級(jí)的激光脈沖能瞬間超過(guò)材料破壞閾值，從而達(dá)到融化和蒸發(fā)的加工效果。實(shí)際加工中，此階段應(yīng)用在加工材料表面會(huì)有熔融效應(yīng)，產(chǎn)生重鑄層和微裂紋，在對(duì)材料要求極其嚴(yán)格的航空制造中無(wú)法大量應(yīng)用。目前是超快激光的應(yīng)用階段。近年來(lái)，隨著固體材料的迅速發(fā)展，皮秒脈沖的激光技術(shù)很快應(yīng)用于工業(yè)中，通俗稱為超快激光，它產(chǎn)生的超短脈沖與材料作用時(shí)間極短，能避免對(duì)分子熱運(yùn)動(dòng)的影響，因此也被稱為冷加工。它具有更短的脈沖寬度和更高的峰值功率，能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)加工，最重要的是不會(huì)產(chǎn)生微裂紋和重鑄層，沒(méi)有熱效應(yīng)，滿足航空制造業(yè)的絕大部分應(yīng)用要求。

技術(shù)改造是采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料對(duì)現(xiàn)有設(shè)施、工藝條件及制作環(huán)節(jié)進(jìn)行提升，打破傳統(tǒng)加工方法的束縛，淘汰落后產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)高效式發(fā)展的改造活動(dòng)。實(shí)踐證明，用先進(jìn)實(shí)用的激光技術(shù)改造傳統(tǒng)航空制造產(chǎn)業(yè)，不僅具有工期短、見(jiàn)效顯著的特點(diǎn)，而且能有效避免材料利用率低、模具準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、機(jī)械加工量大等弱點(diǎn)，從而提高企業(yè)效益。激光是推動(dòng)航空航天制造業(yè)向低成本、高性能、長(zhǎng)壽命、輕量化方向發(fā)展的不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。唯有自主創(chuàng)新，專注研發(fā)，掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，才能在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中把握命運(yùn)。我國(guó)激光表面精細(xì)制造技術(shù)也落后于部分發(fā)達(dá)國(guó)家， 需要大幅度提高新型難加工材料部件上的激光加工能力水平，提升我國(guó)航空航天制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 激光加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

激光控制方便并且穩(wěn)定，很容易同精密機(jī)械與電子技術(shù)相集成，從而實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)化控制。激光加工屬于無(wú)接觸式加工，可以避免工件劃傷，不會(huì)造成接觸式污染，實(shí)現(xiàn)無(wú)人加工、對(duì)運(yùn)動(dòng)工件加工或內(nèi)曲面工件加工等。激光功率可控性高，既可以實(shí)現(xiàn)精密微細(xì)加工，又可以加工大型材料。激光加工強(qiáng)度大，即使熔點(diǎn)高、硬度大的材料也基本可以適用。激光加工更加易于做現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)管理，因?yàn)槠溆谰脴?biāo)識(shí)和DPM功能，可高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下發(fā)、采集、管理。

具體可概括為以下幾點(diǎn)。（1）不用模具：零件更改時(shí)，只需改變程序，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，又能適應(yīng)零件批量少、品種多、變更大的新產(chǎn)品試制要求。（2）不用劃線：加工精度和重復(fù)精度高，可切復(fù)雜曲線外形，切割速度快，達(dá)2～4m/min，工作效率提高8～20倍。（3）切縫窄：0.1～0.2mm，還可以套裁，可節(jié)省材料20%～25%。（4）節(jié)省夾具：切割時(shí)不需要?jiǎng)傂詩(shī)A緊，工件不受力，可切蜂窩結(jié)構(gòu)及薄板易變形零件，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工。（5）激光加工易于操作，節(jié)能環(huán)保，能提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。（6）穩(wěn)定性強(qiáng)、滲透性強(qiáng)可滿足工業(yè)大批量生產(chǎn)加工需求。

2 航空生產(chǎn)中的激光應(yīng)用及技術(shù)改造

2.1激光打標(biāo)技術(shù)

航空制造的特點(diǎn)是技術(shù)含量高、新型難加工復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)量多、加工難度大和生產(chǎn)加工時(shí)間長(zhǎng)。產(chǎn)品要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、工藝、采購(gòu)、加工、裝配、測(cè)試等多個(gè)環(huán)節(jié)，并產(chǎn)生了大量與產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)。如何有效地對(duì)航空制造產(chǎn)品進(jìn)行全生命周期質(zhì)量信息管理，并在此基礎(chǔ)上能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有效追溯是航空制造業(yè)面臨的一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。而激光打標(biāo)可以高效地解決這一問(wèn)題。航空制造業(yè)大國(guó)都采用DPM打刻二維碼，空客飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造商是英國(guó)著名的Rolls-Royce，也稱為羅爾斯·羅伊斯公司，他們出了一本書，要求飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)145個(gè)零部件必須打刻二維碼。書的封面寫著：Creating parts with past零部件與時(shí)俱進(jìn)打刻二維碼。Coded data is here to stay編碼的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)停留在零部件上。

2.2 激光切割和打孔技術(shù)

激光切割的材料有鎳合金、鉻合金、鈦合金、氧化鈹、不銹鋼、鋁、塑料、鈦酸鉬材料等?？捎眉す饧庸さ牟课挥校何惨肀诎?、蜂窩夾層、骨架、蒙皮、翼梁、翼彬、主旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等。切割時(shí)一般用連續(xù)輸出的激光器YAG和CO2激光器、高重頻脈沖激光器。航天航空設(shè)備的外殼采用特殊金屬材料制成，硬度高且耐高溫，可用激光切割加工飛機(jī)蒙皮蜂窩結(jié)構(gòu)、框架翼彬、尾翼避板直升機(jī)主旋翼發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣和火焰筒等。采用三維激光設(shè)備進(jìn)行燃燒器段的高溫合金材料的切割和打孔。在切割鈦合金的工件上，開(kāi)裂和重熔層的研究也頗有成就。激光具有光斑小、密度高、速度快的優(yōu)勢(shì)，使其能獲得較好的切割質(zhì)量和高速，減少工具磨損。激光打孔是一項(xiàng)特定的加工技術(shù)，主要用于在固體材料上打孔。這兩項(xiàng)技術(shù)在航空領(lǐng)域中用于渦輪葉片的激光打孔以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)的激光切割等方面。實(shí)驗(yàn)表明，用激光切割不銹鋼制的發(fā)動(dòng)機(jī)艙隔板，能夠省材。用激光器切割硼/環(huán)氧樹(shù)脂制的F-15形狀復(fù)雜的尾翼壁板，下料可減少工時(shí)。普惠公司用座標(biāo)釹玻璃激光器在鎳鈷合金渦輪葉片上加工直徑為0.5mm，深為3.1mm的冷卻孔，只用7s。

2.3 激光焊接技術(shù)

激光焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了由傳導(dǎo)焊向深熔焊的轉(zhuǎn)變，在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，在航空航天制造修理中也凸顯出了優(yōu)勢(shì)。目前有先進(jìn)的固體激光焊接、LASER-PAW∕MIG復(fù)合焊接技術(shù)、激光深熔焊、激光熱導(dǎo)焊應(yīng)用于航空航天，如航空模盒、儀表殼體、波紋管、顯像管、各種熱敏元件，以及為零部件進(jìn)行密封。激光焊接作為銑槽式再生冷卻噴管夾層結(jié)構(gòu)焊接的首選，具有制造周期短、自動(dòng)化程度高、環(huán)境要求低等優(yōu)勢(shì)，可縮短火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管研制周期（壓縮至10h），降低噴管的制造成本。此外，還應(yīng)用于薄壁結(jié)構(gòu)焊接，典型的是鋁合金機(jī)身下壁板，以焊代鉚結(jié)構(gòu)將最大化減輕機(jī)身重量近20%，省去加筋條用于與蒙皮連接的彎邊。激光焊接獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能量密度高：焦斑直徑很小，功率密度很高，可達(dá)105～108W/cm，能焊接硬度高、易斷裂及高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度的航空材料。熱影響區(qū)?。罕纫话闳酆附Y(jié)晶速度快幾十倍，輸入熱量可受控并降低到最低需要量，熱影響區(qū)很小，可對(duì)物理性差異較大的異種或同種金屬材料進(jìn)行焊接。

2.4 激光清洗技術(shù)

采用激光清洗裝置對(duì)飛機(jī)零部件上的油漆進(jìn)行清洗，在耗費(fèi)電能低的情況下就能滿足清洗要求，具有環(huán)保效果，而且保證清洗后的飛機(jī)零部件仍然符合使用規(guī)定，能增快清洗效率。激光脫漆技術(shù)在航空航天業(yè)主要是應(yīng)用在機(jī)體表面的處理、維修和保養(yǎng)飛機(jī)表面零部件設(shè)備時(shí)，要徹底除去表面的舊油漆，進(jìn)而噴涂新油噴沙或鋼刷打磨等傳統(tǒng)方法清洗部件漆膜。目前在國(guó)際上，特別是歐洲國(guó)家，在飛機(jī)蒙皮激光脫漆方面開(kāi)展了科研工作。激光清洗技術(shù)開(kāi)啟了環(huán)保高效無(wú)殘留，能耗更低、不傷基材及功能更加完備的激光清洗模式。工藝的優(yōu)點(diǎn)是，成本更低、不損傷機(jī)體、干凈、自動(dòng)化。同傳統(tǒng)的溶劑脫漆技術(shù)和噴砂法相比，激光脫漆具有不會(huì)污染環(huán)境，且激光束易于控制的優(yōu)勢(shì)，能剝離零部件不規(guī)則表面上的漆層。

2.5 工件表面精細(xì)化制造

航天器天線固面反射器、雷達(dá)部件頻率選擇器、石英半球諧振陀螺靜電（HRG）激勵(lì)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷型芯、機(jī)匣等構(gòu)件表面精細(xì)制造質(zhì)量，決定了新型航天器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等裝備性能。激光制造技術(shù)因其在非接觸式超快加工、加工應(yīng)力以及精準(zhǔn)尺度方面的優(yōu)勢(shì)，成為復(fù)雜構(gòu)件表面優(yōu)化、精細(xì)化制造的唯一選擇。目前，國(guó)內(nèi)極力發(fā)展構(gòu)件表面的精細(xì)激光制造技術(shù)。針對(duì)航空航天復(fù)雜構(gòu)件表面的精細(xì)制造難題，國(guó)內(nèi)首創(chuàng)復(fù)雜構(gòu)件表面的激光精細(xì)制造裝備，在傳統(tǒng)激光制造技術(shù)基礎(chǔ)上，融合發(fā)展光束傳輸掃描控制、智能檢測(cè)、圖像軟件處理、光機(jī)電協(xié)同控制、裝備精度保證等先進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)天線反射器/HRG的圖案制造、陶瓷型芯/渦輪部件修理、機(jī)匣筒體刻型、渦輪部件標(biāo)印等五類高端激光制造裝備。

2.6 激光熔覆技術(shù)

現(xiàn)代飛機(jī)制造中大量使用鈦合金、鋁合金，以及較新的Ti-6Al-4V合金。鈦合金耐腐蝕性低，而鋁合金強(qiáng)度不高，耐磨性也較差。激光熔覆技術(shù)是在材料基體表面以不同添料的方式放置涂層的一種工藝，從而顯著改善材料表面特性，使其更耐磨、抗腐蝕、抗氧化。主要流程為：基體材料表面預(yù)處理—預(yù)置熔覆材料—預(yù)熱—激光熔化—后熱處理。經(jīng)過(guò)熔覆的鈦合金部件顯微硬度提高為800～3000HV，部件表面經(jīng)過(guò)熔覆后，變得超耐磨、抗腐蝕、抗氧化。用一定的材料配比將鋁合金基材表面強(qiáng)化，解決了表面耐磨差，易塑變形的問(wèn)題。該方法與鋁基體之間有冶金結(jié)合特點(diǎn)，結(jié)合強(qiáng)度高。熔覆層的厚度達(dá)1～3mm，熔覆層不但硬度高，而且耐磨性好，有很強(qiáng)的承載力。在鈦合金、鋁合金表面，進(jìn)行陶瓷涂敷，利用大功率激光器將其熔化后快速凝固形成涂層，材料的性能可以得到最大提升。此外，激光熔覆材料后產(chǎn)生的熱障涂層有良好的隔熱效果，可滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片降低溫度、熱誘導(dǎo)應(yīng)力以及基體材料服役穩(wěn)定的要求。

2.7 復(fù)合材料零部件精密加工

AlliedSignal率先提出激光修理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片陶瓷型芯的方法，對(duì)陶瓷型芯的修邊、切割、修孔等，形成專利;美、法等國(guó)已將CMC材料成功應(yīng)用于火箭、航發(fā)導(dǎo)向葉片、渦輪外環(huán)的制造，部件表面制造均采用超快激光修理技術(shù)。陶瓷型芯屬于影響航空葉片形貌的關(guān)鍵工藝部件，發(fā)達(dá)國(guó)家將其制造技術(shù)作為核心機(jī)密。隨著國(guó)防武器裝備輕量化趨勢(shì)，航空航天大量應(yīng)用到復(fù)合材料，隨之而來(lái)的是復(fù)合材料精密加工需求，主要涉及樹(shù)脂基和陶瓷基復(fù)合材料，目前超快激光加工技術(shù)展現(xiàn)了應(yīng)用潛力。

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作者簡(jiǎn)介：楊景梅（1972—），女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)轫?xiàng)目管理及技術(shù)改造。

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