航空航天特殊材料加工技術

                                ——激光加工工藝在航空航天領域的應用

摘要：激光制造技術在國防和航空航天領域的產業化應用前景遠大，具有效率高、能耗低、流程短、性能好、數字化、智能化的特點，本文主要介紹了激光加工的組成、工作原理及各激光加工工藝技術在航空領域中的應用。針對現狀，我國將繼續發揮激光制造技術的優勢，改變我國航空航天領域的關鍵器件和技術主要依賴進口的現狀，最終形成我國新一代激光制造產業鏈。 

關鍵詞：激光加工、航空航天、打孔、切割、熔覆、焊接、打標、LENS

1.激光加工的組成及工作原理

激光加工有四部分組成，分別是激光器、電源、光學系統、機械系統。

工作原理 ：

激光加工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化氣化而進行穿孔、切割和焊接等的特種加工。早期的激光加工由于功率較小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世紀70年代，隨著大功率二氧化碳激光器、高重復頻率釔鋁石榴石激光器的出現，以及對激光加工機理和工藝的深入研究，激光加工技術有了很大進展，使用范圍隨之擴大。數千瓦的激光加工機已用于各種材料的高速切割、深熔焊接和材料熱處理等方面。各種專用的激光加工設備競相出現，并與光電跟蹤、計算機數字控制、工業機器人等技術相結合，大大提高了激光加工機的自動化水平和使用功能。

從激光器輸出的高強度激光經過透鏡聚焦到工件上，其焦點處的功率密度高達10(～10(瓦/厘米(，溫度高達1萬攝氏度以上，任何材料都會瞬時熔化、氣化。激光加工就是利用這種光能的熱效應對材料進行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固體激光器和氣體激光器。

激光加工工藝包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微調等各種加工工藝。

2． 定義

2．1激光切割技術

激光切割是用聚焦鏡把二氧化碳氣體、激光束聚焦，使材料熔化，用激光束的壓縮氣體吹走被熔化的材料，使激光束和材料沿著固定軌道進行運動，從而形成固定形狀的切縫。目前激光切割新技術已成為工業切割板材的一種現代化先進高新加工方法，激光切割技術的采用克服了操作時間長、切割縫隙大、變形大、切割制品粗糙、有污染、不安全，不衛生的弱勢。

2．2激光焊接技術

激光焊接是用激光器中的激光把機械設備配件焊接成為一體。激光焊接主要優點是能焊接多種金屬，焊接部位狹小，深腔焊接不變形，焊池周邊無凹陷現象，能補焊極硬鋼板材料，焊接不擊穿薄板材。料焊接工藝高超焊縫整齊美觀。激光焊接新技術在機械生產加工中廣泛應用，主要有以下兩大類：一是金剛石鋸片激光焊接，二是激光焊接應用于鋼鐵工業，焊接鋼板，拼焊汽車板和各種殼體類零件，從而進一步推動了我國機械生產加工企業的快速發展。

2.3激光打標技術

  激光打標是在機械設備或產品上用激光器打上特殊標記和符號。此種新技術在激光技術應用中占最重要位置之一，應用及其廣泛，主要應用干電子工業，汽車工業、工具、量具、航空、航天、儀器、儀表，包裝等行業機械加工中。標記對象是金屬非金屬材料等，如不銹鋼、鋁合金、有機玻璃、塑料、陶瓷、合成材料、木材、橡膠、皮革制品紙制品、印刷電路板、生活裝飾品等。

2．4激光打孔技術

激光打孔是把多種機械配件用激光加工出各種不同類型的孔，主要應用于金屬材料和非金屬材料，主要用于硬度高材料，特別還適用于布匹和紙張等較軟材料打孔，已裝配好成型機械不用拆卸就可直接打孔，尤其適用于汽車、航空等行業的動平衡。激光打孔技術在機械工業各行業中廣泛應用，優點多，打孔變形小。精密度高，打孔深度可控，中心孔定位準確。

．5激光淬火技術

激光淬火是用高能激光在工件表面快速掃描，在工件表面極薄的光斑大小的小區域內快速吸收能量瞬間使其急劇達到高溫，又瞬間完成低溫淬火的高新技術。具有：高速加熱和高速自冷；激光淬火制品比常規淬火硬度高出5％～20％，可獲得極細硬幣七組織，加熱速度快、熱影響區小，淬火應力小；可使被加工制品局部硬化；工藝周期短，生產效率高、自動化程度高、易被計算機控制；無需冷卻介質、無污染等優點。

2．6激光熔覆技術

激光熔覆是用激光新技術修復舊設備，是再制造、再利用工程。此項新技術是以陳舊老化設備為對象，進行二次加工，恢復和提高設備利用率，從而達到再次創造價值、節約資源、保護環境、實現可持續發展的一門新技術工程，主要應用于電力、冶金、鋼鐵、機械工業等領域，

2.7激光快速成形

激光快速成形（Laser Rapid Prototyping：LRP）是將CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驅動和新材料等先進技術集成的一種全新制造技術。近期發展的LPR主要有：立體光造型(SLA) 技術；選擇性激光燒結(SLS) 技術；激光熔覆成形（LCF）技術；激光近形（LENS）技術；激光薄片疊層制造(LOM) 技術；激光誘發熱應力成形（LF）技術及三維印刷技術等。

3. 激光加工技術航空航天工業中的應用

3．1激光切割

激光切割技術是將能量聚焦到微小的空間，可獲得105~1015W/cm2極高的輻照功率密度，利用這一高密度的能量進行非接觸、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下，幾乎可以對任何材料實現激光切割。激光切割技術是一種擺脫傳統的機械切割、熱處理切割之類的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更靈活的切割方法和更高的生產效率等特點。

在航空航天工業中用激光切割的材料有：欽合金，鎳合金、鉻合金，鋁合金、不銹鋼、欽酸鑰、塑料和復合材料等。在航天航空設備的制造中，外殼采用特殊金屬材料制成，強度高、硬度高、耐高溫，普通的切割手段很難完成材料的加工，激光切割是一種高效的加工手段，可用激光切割加工飛機蒙皮、蜂窩結構，框架、翼彬，尾翼避板、直升機主旋翼、發動機機匣和火焰筒等。激光切割一般用連續輸出的激光器，也有用高重頻二氧化碳脈沖激光器。激光切割的深寬比高，對于非金屬，深寬比可達100以上，金屬可達20左右。激光切割速度高，切割欽合金薄板為機械方法的30倍，切割鋼板為機械方法的20倍。激光切割的質量好。與氧乙炔及等離子的切割方法相比，切割碳鋼質量最好。激光切割的熱影響區僅為氧一乙炔。

激光切割技術在航空領域中主要用于航空發動機、渦輪葉片的激光打孔，航空發動機的激光切割等方面。 

 3．2激光焊接

在航空航天工業中，有很多零件是用電子束焊接，由于激光焊接不需要在真空中進行，目前正在用激光焊接代替電子束焊接。長久以來，飛機結構件之間的連接一直采用落后的鉚接工藝，主要原因是飛機結構采用的鋁合金材料是熱處理強化鋁合金(即高強鋁合金)，一經熔焊后，熱處理強化效果就會喪失，而且晶間裂紋難以避免。而激光焊接技術的采用，克服了這樣的難題，還大大地簡化了飛機機身的制造工藝，使機身重量減輕18％，成本下降21．4％～24．3％，激光焊接技術是飛機制造業的一次技術大革命。

在20世紀70年代之前，由于沒有高功率連續激光器件，研究的重點是脈沖激光焊接，應用于小型精密零件的點焊，或者由單個焊點搭接而成的縫焊。1971~1972年，隨著數千瓦CO2激光焊接試驗的報道，情況發生了根本性的變化。幾毫米厚鋼板能夠一次性完全焊透，所得焊縫與電子束焊接相似，顯示出了高功率激光焊接的巨大潛力。 
  隨著激光制造技術的發展，橋梁、船舶等結構都由傳統的鉚接工藝發展到采用激光焊接技術，但先進的激光焊接技術難以在飛機制造中開展廣泛的應用。長久以來，飛機結構件之間的連接一直采用落后的鉚接工藝，主要原因是飛機結構采用的鋁合金材料是熱處理強化鋁合金（即高強鋁合金），一經熔焊后，熱處理強化效果就會喪失，而且晶間裂紋難以避免。因此，普通氬弧焊等熔焊方法在飛機制造中的應用成為禁區。另一方面，在80年代初，鋁及其合金的激光加工十分困難，被認為是不可能的。主要是由于鋁合金存在對10.6mm波長激光的高反射和自身的高導熱性。在當時，激光加工主要使用波長為10.6mm的CO2激光器，而鋁對CO2激光的反射率高達97%，通常作為反射鏡使用。但是，激光加工的優越性又極大地吸引著從事激光材料加工的科研工作者。他們為此付出了大量的時間和精力來研究鋁合金激光加工的可能性。 
  目前，高強鋁合金激光焊接成果已經成功應用于歐洲空中客車公司飛機制造中，其鋁合金內隔板均采用激光加工，實現了激光焊接取代傳統鉚接工藝。激光焊接技術的采用，大大地簡化了飛機機身的制造工藝，使機身重量減輕18%，成本下降21.4%~24.3%，被認為是飛機制造業的一次技術大革命。空客A380的制造就采用了激光焊接技術，極大地減輕了飛機自重，增加了載客量。德國政府2006年公布的科技發展計劃中將激光焊接技術列為航空工業兩大尖端發展技術之一。 

3．3激光打孔

激光打孔技術在航空航天工業中適用于儀表寶石軸承、氣冷式渦輪葉片、噴嘴和燃燒室上打孔等。目前，在加工航空發動機零件方面，激光打孔僅限于加工發動機靜止零件的冷卻孔，因為孔表面存在微觀裂紋。對激光束、電子束、電化學、電火花打孔、機械鉆孔和沖孔進行試驗研究，經綜合分析認為。激光打孔具有效果好、通用性強、效率高和成本低等優點。

3．4激光熔覆技術

激光熔覆是一種重要的材料表面改性技術，亦被稱為激光鍍覆或激光表面硬化。它是以高能密度的激光為熱源在基材表面熔覆一層熔覆材料，使之與基材實現冶金結合，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。近年來激光熔覆修復技術逐漸發展成為一種新型的先進制造技術。該技術集快速原型制造技術及激光熔覆表面改性技術于一體，可實現三維金屬零件的修復而無需工模具。 
  激光熔覆的第一項工業應用是Rolls Royce 公司1981年對RB211渦輪發動機殼體結合部件進行硬面熔覆。表1所示為激光熔覆工業應用實例。 
        表1 激光熔覆工業應用實例  
  

  在航空領域，航空發動機的備件價格很高，因而在很多情況下維修零件是比較劃算的。但是修復后零件的質量必須滿足安全要求。例如，飛機螺旋槳葉片表面上出現損傷時，必須通過一些表面處理技術進行修復。除了考慮螺旋槳葉片所要求的高強度、高耐疲勞性，還必須考慮表面修復后的耐腐蝕性。選擇一種合適的表面處理技術對螺旋槳葉片進行修復，對節省裝備維護費用，提高裝備使用壽命具有很重要的意義。激光熔覆技術可以很好的用于發動機葉片激光三維表面熔覆修復。 

3．5激光近形(LENS)制造技術
     激光近形制造是基于局域送粉的金屬零件快速制造方法，它是在激光涂覆技術的基礎上發展起來的。激光涂覆的目的是通過在被加工工件的表面熔覆功能層，來提高工件的耐磨性和抗腐蝕能力，常用于零件或者模具的修復。為了實現修復，補充缺損的材料，常常進行多層加工，在此基礎上形成了激光生長技術。 
  激光近形制造技術在航空領域的應用直接體現在航空用鈦合金結構件的直接制造以及航空發動機零件的快速修復方面。2001年在美國國防部的支持下激光近形制造技術有技術研究轉化為F/A-18E/F、F-22、JSF等先進殲擊機上的裝機應用。2002年以來激光近形制造技術成為美國航空航天國防武器裝備大型鈦合金結構件的核心制造新技術之一。在四代機F-22中鈦合金結構件用量占機身結構重量的41%，先進航空發動機中鈦合金占發動機重量的25-40%。鈦合金用量的高低已經成為衡量飛機、發動機等國防裝備先進性的重要標志之一。由于大型鈦合金結構件的傳統制造方法具有成本高、鍛造模具準備時間長、大型以及超大型工業設施（高噸位水壓機以及超大型自由鍛造設備等）匱乏、數控加工設備稀缺、機械加工量大、材料利用率低等弱勢，采用激光近形制造技術直接制造大型鈦合金結構件顯示了巨大的優勢。 

  在航空發動機零件的快速修復方面LENS技術也發揮了極大的優勢。例如美軍為了取得軍事上的優勢在惡劣的沙漠環境中使用T700黑鷹直升機，由于發動機上很多帶葉片的葉輪受到沙粒侵蝕，使直升機的飛行壽命銳減。葉輪的侵蝕不僅減小了發動機的飛行壽命，還導致燃料損耗增加、馬達動力減弱、工作溫度升高以及壓氣機和渦輪零部件的損害。如果更換整個葉輪，成本將非常昂貴。美軍引入了LENS技術對破損的零部件進行修復。據報道，采用傳統方法修復一個直升機發動機大約需要11萬美元，而采用激光直接制造技術進行修復大約只需要500美元，且修復部分的材料耐磨性能優于原始材料，可以延長發動機的使用壽命，減少檢修頻率。美軍運用LENS技術檢查修復渦輪發動機的零部件，包括渦輪轉子、密封轉輪、間隔壓氣機、導向器葉片、壓氣機定子、壓氣機葉片等。LENS 系統能夠在很短時間內修復用常規方法無法修復的高溫合金破損零部件。此外美國空軍在還應用LENS 技術對快速制造X - 45A 無人駕駛戰斗機模型進行了響應空氣動力學分析的試驗測試以及其他應用。 

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