能源危機(jī)的持續(xù)發(fā)酵、歐盟“碳稅”的征收都必將促使航空公司對民用客機(jī)提出更加明確的減重要求。20世紀(jì)90年代起，經(jīng)過近10年的研究，空客公司成功地將雙光束激光焊接技術(shù)應(yīng)用于鋁合金機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)，替代了傳統(tǒng)的鉚接結(jié)構(gòu)（圖1），使飛機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)概念從組裝結(jié)構(gòu)過渡到整體結(jié)構(gòu)。該技術(shù)針對機(jī)身壁板的蒙皮- 長桁結(jié)構(gòu)，利用兩臺完全相同的CO2 激光器在長桁兩側(cè)進(jìn)行雙側(cè)同步焊接，該技術(shù)避免了傳統(tǒng)的單面焊雙面成形工藝對蒙皮完整性的破壞，具有極大的優(yōu)越性。有資料表明：采用該技術(shù)在不降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞壽命的前提下，能減少5%~10% 的結(jié)構(gòu)重量，并降低成本15%，提高了生產(chǎn)效率[1-3]。  

雙光束激光焊接技術(shù)簡述    

雙光束激光焊接技術(shù)最早是由德國的Bias（不萊梅射線研究所）、Gkss（亥姆霍茲聯(lián)合會）、Fraunhofer福朗霍夫材料與射線研究所）、LZH（漢諾威激光研究所）、亞琛工大等眾多科研院所一起參與完成的。同時，相關(guān)焊接設(shè)備由Schuler-held、M.torres、Rofin 等公司提供。激光焊接技術(shù)也成為了德國航空業(yè)的重點發(fā)展技術(shù)之一。除了已經(jīng)研制成功的激光焊接蒙皮- 長桁結(jié)構(gòu)以外，其他的激光焊接應(yīng)用也正處于研發(fā)階段。這些應(yīng)用包括利用機(jī)器人焊接角片、焊接Al-Mg-Sc 材料的著陸襟翼結(jié)構(gòu)以及激光焊接鋁- 鈦異種材料航空座椅滑軌[3-4]。    

雙光束激光焊接技術(shù)最早用于空客A318的前機(jī)身以及中后機(jī)身兩塊壁板的生產(chǎn)制造，并在裝機(jī)之前通過了FAA（美國聯(lián)邦航空管理局）的適航認(rèn)證。圖2 為德國空客車間的雙光束激光焊接生產(chǎn)線，隨著3條焊接生產(chǎn)線的購置安裝，焊接機(jī)身壁板于2001年在德國諾登哈姆的空客車間內(nèi)實現(xiàn)了批量生產(chǎn)。另外，隨著此項技術(shù)的不斷成熟，包括A340、A380 在內(nèi)的機(jī)型也都采用了激光焊接壁板，且壁板的數(shù)量也從開始的2塊（總計110m 焊縫），到最多使用14塊激光焊接壁板（總計約798m焊縫）。空客的最新型號A350在設(shè)計初期也準(zhǔn)備采用激光焊接鋁鋰合金壁板，并且使用壁板數(shù)量進(jìn)一步增加；然而，波音公司的787夢幻客機(jī)取得了商業(yè)成功，迫使A350改變原有計劃，將復(fù) 合材料大量應(yīng)用于機(jī)身機(jī)構(gòu)[5]。因此，A350暫不采用該技術(shù)，但是可以預(yù)見在未來很長一段時間，金屬材料仍會在飛機(jī)的主要型號中大量使用，同時空客還在研究將此技術(shù)推廣應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身上壁板[6]，因此該技術(shù)的應(yīng)用仍然值得期待。

這套工藝的焊接對象主要包括單曲壁板和雙曲壁板，其中雙曲壁板中的焊縫是較為復(fù)雜的空間曲線，對整個焊接設(shè)備和工藝提出了較高的要求。圖3為雙曲壁板雙光束激光焊接的整個工藝流程，包括蒙皮拉伸成形→蒙皮三維表面加工→蒙皮三維輪廓加工→裝夾→激光焊接→噴丸處理→熱處理→表面防腐處理8個步驟[4]。

   根據(jù)美國鋁業(yè)公司（Alcoa）的介紹，長桁焊接前的蒙皮曲線形狀是用時效蠕變方法成形出來的。這樣的機(jī)身蒙皮重量輕、強(qiáng)度高、耐蝕，而且材料的損傷容限較高。在進(jìn)行激光焊接的過程中，由于鋁合金的熱膨脹系數(shù)較大、彈性模量較小，而且，雙激光束雙側(cè)同步焊接的熱源具有特殊性加之金屬板材的尺寸較大并且厚度較薄，再者，蒙皮上多道焊縫會導(dǎo)致焊接應(yīng)力分布比較復(fù)雜，上述因素將導(dǎo) 致在焊接過程中產(chǎn)生失穩(wěn)變形。因此噴丸處理在提高材料疲勞性能的同時，還具備矯形的作用。

圖4為世界最大飛機(jī)A380 客機(jī)使用雙光束激光焊接的機(jī)頭下壁板，焊接選用的材料為AA6013( 蒙皮材料)/AA6056( 長桁材料)，與傳統(tǒng)的6061 鋁合金相比，這兩種材料具有良好的焊接性能，材料本身具備中等強(qiáng)度，同時還具備優(yōu)異的損傷容限性能。填充材料選用流動性較好的4047 鋁合金焊絲。

設(shè)備    

 該技術(shù)對于設(shè)備的要求較高，有資料表明：空客公司的焊接設(shè)備（圖5）主要由激光焊接系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、焊接跟蹤系統(tǒng)、焊縫監(jiān)測系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)和控制系統(tǒng)6部分組成[3]。其中激光焊接系統(tǒng)是整個設(shè)備的核心，主要用于激光的產(chǎn)生與傳輸；運動系統(tǒng)將保證整個設(shè)備的運動精度；焊接跟蹤系統(tǒng)主要用于焊縫的定位及調(diào)整；焊縫檢測系統(tǒng)用于焊接過程中焊接質(zhì)量的監(jiān)測以及焊后焊縫質(zhì)量的檢測；工裝夾具系統(tǒng)用來實現(xiàn)蒙皮與長桁的裝夾定位，在激光焊接過程中由于對焊前裝配要求嚴(yán)格，必須設(shè)計一個特殊的非標(biāo)夾具用于長桁的裝夾，這個夾具應(yīng)同時具備夾緊和導(dǎo)向功能，而蒙皮的夾持由全型面的真空吸附模胎實現(xiàn)；而以上系統(tǒng)在集成后由中央控制系統(tǒng)實現(xiàn)整個設(shè)備的控制。本節(jié)只重點討論激光焊接系統(tǒng)的選型及比較。

激光焊接系統(tǒng)主要由激光器、焊接工作頭及送絲送氣系統(tǒng)構(gòu)成。焊接時，兩臺完全相同的激光器從長桁兩側(cè)進(jìn)行同步焊接，可以減少焊接變形并控制焊縫內(nèi)氣孔數(shù)量。        在激光器的選擇方面，德國和法國的空客公司分別采用了不同類型的激光器，其中法國空客采用的是兩臺Nd:YAG固體激光器，而德國空客采用了2臺CO2激光器，而這兩種激光器在進(jìn)行這種工藝焊接時也各有特點。兩種激光器的比較見表1。從中可以發(fā)現(xiàn)：CO2激光器的波長較大，因此在焊接鋁合金過程中，激光更容易被反射；同時光斑直徑較小、光束能力分布集中、質(zhì)量較好。

在使用上述兩種不同類型的激光進(jìn)行焊接時，與Nd:YAG激光焊接相比，由于其光斑直徑較小，使用CO2 激光器的焊縫截面積較小（見圖6）、其形成氣孔的趨勢較大、焊前裝配較為嚴(yán)格、熱裂紋的傾向較小。而在使用Nd:YAG激光焊接時，所需的焊接能量較大、焊接完成后試板的翹曲變形以及角變形較大，達(dá)到CO2焊接變形的1.5~2倍。另外，在使用CO2激光焊接時，整個焊接過程明顯較為安靜，焊煙、飛濺較少，普通空氣刀的使用即能很好地保護(hù)鏡片，提高鏡片的使用壽命。最后，由于CO2激光只能通過銅鏡的反射傳輸，整個傳輸光路龐大而復(fù)雜；而YAG 激光能通過光纖傳輸，因此YAG 焊接系統(tǒng)的傳輸過程更柔性。

綜上所述，這兩種焊接系統(tǒng)各有優(yōu)缺點并均已用于空客型號的生產(chǎn)。近年來，光纖激光器發(fā)展的突飛猛進(jìn)，在具備與CO2激光器相近的光束質(zhì)量的同時，其傳輸也能通過光纖實現(xiàn)，兼具了兩種傳統(tǒng)激光器的特點。上飛公司同哈爾濱工業(yè)大學(xué)一起基于該焊接系統(tǒng)完成了相關(guān)基礎(chǔ)試驗，并取得了較好的結(jié)果。

展望

復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度和比模量、良好的結(jié)構(gòu)可設(shè)計性和抗疲勞特性等優(yōu)點[7]，因此復(fù)合材料的大量應(yīng)用已經(jīng)成為民機(jī)發(fā)展的重要趨勢之一。但以美國鋁業(yè)（Alcoa）和加拿大鋁業(yè)（Alcan）為代表的公司也積極開展新型鋁鋰合金的研發(fā)，這些第3代鋁鋰合金在保持了以往鋁鋰合金密度低，比強(qiáng)度、比剛度高等優(yōu)異性能的同時，還具備了材料各向異性低、損傷容限高、耐腐蝕性好及加工性能好等特點。因此針對這種材料開展雙光束激光焊接技術(shù)極具意義。另外，由于在飛機(jī)服役過程中，上下壁板結(jié)構(gòu)受力情況不同，將此技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)的上壁板還面臨提高整體結(jié)構(gòu)的損傷容限能力的挑戰(zhàn)。而鑒于國內(nèi)已經(jīng)開展了相關(guān)技術(shù)的研發(fā)并取得初步進(jìn)展，但離最終的型號使用需求還有一段距離，變形控制及矯形技術(shù)等研究將是后期工作的重點。

本資料由方圓集團(tuán)上海激光科技有限公司收集整理，公司簡稱方圓激光，主要研發(fā)和生產(chǎn)激光焊接機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、激光切割機(jī)及配套工裝夾具。

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