激光技術(shù)助力我國(guó)航空航天

　　隨著“天宮一號(hào)”的發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)的航天技術(shù)再上一個(gè)新臺(tái)階，而激光技術(shù)作為當(dāng)今世界范圍內(nèi)最先進(jìn)的制造加工技術(shù)之一，它在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，對(duì)于我國(guó)航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。不管是 “天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器，還是之前的“神舟七號(hào)”宇宙飛船、“嫦娥奔月”計(jì)劃、“大飛機(jī)”計(jì)劃、載人航天工程等，都廣泛應(yīng)用了激光技術(shù)。

　　以下將介紹航空航天工業(yè)中幾種激光加工技術(shù)的應(yīng)用情況：

　?。ㄒ唬┘す夂附蛹夹g(shù)：

　　這是激光在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的最廣泛的技術(shù)，因?yàn)榧す夂附酉鄬?duì)于電子束、等離子束和傳統(tǒng)焊接方法有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

　?、?能量密度高。高功率激光束經(jīng)聚焦后，焦斑直徑很小，因此功率密度很高，可達(dá)105～108W/cm2，比電弧焊(5×102～104W/cm2)要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，能焊接高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度的材料。

　?、?熱影響區(qū)和變形區(qū)都很小。激光焊接加熱及冷卻速度極高，其結(jié)晶速度比一般熔焊的高幾十倍，熱影響區(qū)很小，材料變形小，無(wú)需后續(xù)工序處理。

　?、?焊接不同材料的組合?？蓪?duì)高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、物理性質(zhì)差異較大的異種或同種金屬材料進(jìn)行焊接。

　?、?激光焊接系統(tǒng)具有高的柔性。與CAD/CAM或機(jī)器人聯(lián)合組成的焊接系統(tǒng)可形成多功能的激光加工系統(tǒng)，焊接速度快，功效高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

　　在20世紀(jì)70年代之前，由于沒(méi)有高功率連續(xù)激光器件，因此研究的重點(diǎn)是小型精密零件的點(diǎn)焊，或者由單個(gè)焊點(diǎn)搭接而成的縫焊。而時(shí)至今日，隨著激光器功率的提高，現(xiàn)在焊接十幾毫米厚的鋼板也比較容易。

　　另外，激光焊接由于熱影響小、密封性好、適合在真空等特殊環(huán)境下加工，因此在航天航空器件中得到廣泛應(yīng)用。華工激光生產(chǎn)的高精密激光焊接機(jī)，在貴州某軍工企業(yè)專(zhuān)門(mén)為神七焊接焊接鉭電容器件，這種鉭電容器件用于神七發(fā)射裝置及飛船內(nèi)部?jī)x器。貴州某軍工廠專(zhuān)門(mén)為航天提供軍用鉭電容和軍用繼電器，采用了特殊合金外殼，需要在純氮環(huán)境下實(shí)施密封焊接。針對(duì)這一特殊應(yīng)用，華工激光有針對(duì)性的研發(fā)了真空手套箱激光焊接系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了完美焊接。

華工激光高精密焊接機(jī)

　　目前激光焊接最新的應(yīng)用成果是，用激光焊接技術(shù)取代傳統(tǒng)的鉚釘進(jìn)行鋁合金飛機(jī)機(jī)身的制造從而減輕飛機(jī)機(jī)身重量近20%，提高強(qiáng)度近20%，如今德國(guó)宇航公司MBB、空中客車(chē)公司都應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù)。

（二）激光切割技術(shù)和激光打孔技術(shù)：

　　這兩項(xiàng)技術(shù)的原理是將能量聚焦到微小的空間，從而獲得極高的輻照功率密度（105～1015W/c m2），進(jìn)而利用這一高密度的能量進(jìn)行非接觸、高速度、高精度的加工。其中，激光切割技術(shù)是一種擺脫傳統(tǒng)的機(jī)械切割、熱處理切割的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的表面粗糙度值、更靈活的切割方法和更高的生產(chǎn)效率等特點(diǎn)。

　　現(xiàn)在典型的飛機(jī)零部件大量采用鋁合金、鈦合金、耐高溫合金等特種合金，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，成形要求精確，而大功率激光切割機(jī)加工技術(shù)的引進(jìn)，能提高加工的質(zhì)量，降低模具投資成本，縮短生產(chǎn)周期，特別適用于復(fù)雜零配件加工。去年，華工激光法利萊制造的Contour DM數(shù)控激光切割機(jī)在西安某軍工企業(yè)采購(gòu)激光切割機(jī)項(xiàng)目中一舉中標(biāo)，打破了進(jìn)口大功率激光切割機(jī)壟斷特種合金和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零配件加工領(lǐng)域的格局，這標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)化大功率激光切割機(jī)加工技術(shù)已具備國(guó)際先進(jìn)水平。

法利萊Contour DM數(shù)控激光切割機(jī)

　　而激光打孔方法作為在固體材料上進(jìn)行孔加工的方法之一，已成為一項(xiàng)擁有特定應(yīng)用的加工技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)在航空領(lǐng)域中主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、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。例如，國(guó)際上眾多的航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)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任務(wù)；軍用和民用航空器的鋁合金材料或特殊材料的激光切割同樣也獲得了成功，尤其在鈦合金激光切割的開(kāi)裂和重熔層的研究上頗有成就。

　　在“神舟七號(hào)”航天飛船中，由于飛船在大氣層中飛行會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，在飛船內(nèi)需要有許多包覆層來(lái)對(duì)實(shí)現(xiàn)隔熱，為了在溫度上升過(guò)程中順利的將包覆層之間的空氣排出，需要在包覆層上面均勻分布很多微細(xì)的小孔，華工激光針對(duì)這一應(yīng)用并結(jié)合自身的薄型材料激光切孔專(zhuān)利開(kāi)發(fā)的自動(dòng)激光切孔機(jī)已經(jīng)應(yīng)用到神七的包覆層切孔上。

（三）快速成形技術(shù)：

　　快速成形技術(shù)是基于離散-堆積成形原理的成形方法，由產(chǎn)品三維CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)，組裝（堆積）材料單元而完成任意復(fù)雜的三維實(shí)體（不具有使用功能）的技術(shù)總稱(chēng)?？焖俪尚渭夹g(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用直接體現(xiàn)在航空用鈦合金結(jié)構(gòu)件的直接制造以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的快速修復(fù)方面。例如，2001年在美國(guó)國(guó)防部的支持下激光近形制造技術(shù)由技術(shù)研究轉(zhuǎn)化為裝機(jī)應(yīng)用，應(yīng)用在F/A-18E/F、F-22、JSF等先進(jìn)殲擊機(jī)上。又如，美軍在惡劣的沙漠環(huán)境中使用直升機(jī)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)上很多帶葉片的葉輪受到沙粒侵蝕，使直升機(jī)的飛行壽命銳減。為此美軍引入了LENS技術(shù)對(duì)破損的零部件進(jìn)行修復(fù)。據(jù)報(bào)道，采用傳統(tǒng)方法修復(fù)一個(gè)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)大約需要11萬(wàn)美元，而采用激光直接制造技術(shù)進(jìn)行修復(fù)大約只需要500美元，且修復(fù)部分的材料耐磨性能優(yōu)于原始材料。由此可見(jiàn)該技術(shù)可能產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)效益。

（四） 激光融覆技術(shù)：

　　激光融覆技術(shù)是以高能量密度的激光為熱源在基材表面熔覆一層熔覆材料，使之與基材實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，在基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層的表面改性方法。該技術(shù)集快速原型制造技術(shù)及激光熔覆表面改性技術(shù)于一體，可實(shí)現(xiàn)三維金屬零件的修復(fù)而無(wú)需工模具。在航空領(lǐng)域，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的備件價(jià)格很高，因而在很多情況下維修零件是比較劃算的，但是修復(fù)后零件的質(zhì)量必須滿足安全要求。例如，飛機(jī)螺旋槳葉片表面上出現(xiàn)損傷時(shí)，必須通過(guò)一些表面處理技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。除了考慮螺旋槳葉片所要求的高強(qiáng)度、高耐疲勞性，還必須考慮表面修復(fù)后的耐腐蝕性，激光熔覆技術(shù)正好可以很好地應(yīng)用于此。除此之外，激光融覆技術(shù)還可在渦輪機(jī)葉片、殼體結(jié)合部件、閥體部件等零部件的修復(fù)上得到應(yīng)用。

　　隨著一批大計(jì)劃、大項(xiàng)目的實(shí)施，我國(guó)的航空航天工業(yè)迎來(lái)了自己的春天，而走在制造技術(shù)發(fā)展潮流最前端的激光先進(jìn)制造技術(shù)正在該領(lǐng)域顯示出其越來(lái)越重要的作用。我們有理由相信，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，激光制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中必將獲得更大、更多的應(yīng)用。