航空航天特殊材料加工技術(shù)

                                ——激光加工工藝在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

摘要：激光制造技術(shù)在國(guó)防和航空航天領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景遠(yuǎn)大，具有效率高、能耗低、流程短、性能好、數(shù)字化、智能化的特點(diǎn)，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(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用。針對(duì)現(xiàn)狀，我國(guó)將繼續(xù)發(fā)揮激光制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，改變我國(guó)航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵器件和技術(shù)主要依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，最終形成我國(guó)新一代激光制造產(chǎn)業(yè)鏈。 

關(guān)鍵詞：激光加工、航空航天、打孔、切割、熔覆、焊接、打標(biāo)、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(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)。

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(jìn)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(jì)70年代，隨著大功率二氧化碳激光器、高重復(fù)頻率釔鋁石榴石激光器的出現(xiàn)，以及對(duì)激光加工機(jī)理和工藝的深入研究，激光加工技術(shù)有了很大進(jìn)展，使用范圍隨之?dāng)U大。數(shù)千瓦的激光加工機(jī)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(shè)備競(jìng)相出現(xiàn)，并與光電跟蹤、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)相結(jié)合，大大提高了激光加工機(jī)的自動(dòng)化水平和使用功能。

從激光器輸出的高強(qiáng)度激光經(jīng)過透鏡聚焦到工件上，其焦點(diǎn)處的功率密度高達(dá)10(～10(瓦/厘米(，溫度高達(dá)1萬攝氏度以上，任何材料都會(huì)瞬時(shí)熔化、氣化。激光加工就是利用這種光能的熱效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)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(biāo)、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。

2． 定義

2．1激光切割技術(shù)

激光切割是用聚焦鏡把二氧化碳?xì)怏w、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(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而形成固定形狀的切縫。目前激光切割新技術(shù)已成為工業(yè)切割板材的一種現(xiàn)代化先進(jìn)高新加工方法，激光切割技術(shù)的采用克服了操作時(shí)間長(zhǎng)、切割縫隙大、變形大、切割制品粗糙、有污染、不安全，不衛(wèi)生的弱勢(shì)。

2．2激光焊接技術(shù)

激光焊接是用激光器中的激光把機(jī)械設(shè)備配件焊接成為一體。激光焊接主要優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)象，能補(bǔ)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(shù)在機(jī)械生產(chǎn)加工中廣泛應(yīng)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(yīng)用于鋼鐵工業(yè)，焊接鋼板，拼焊汽車板和各種殼體類零件，從而進(jìn)一步推動(dòng)了我國(guó)機(jī)械生產(chǎn)加工企業(yè)的快速發(fā)展。

2.3激光打標(biāo)技術(shù)

  激光打標(biāo)是在機(jī)械設(shè)備或產(chǎn)品上用激光器打上特殊標(biāo)記和符號(hào)。此種新技術(shù)在激光技術(shù)應(yīng)用中占最重要位置之一，應(yīng)用及其廣泛，主要應(yīng)用干電子工業(yè)，汽車工業(yè)、工具、量具、航空、航天、儀器、儀表，包裝等行業(yè)機(jī)械加工中。標(biāo)記對(duì)象是金屬非金屬材料等，如不銹鋼、鋁合金、有機(jī)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(shù)

激光打孔是把多種機(jī)械配件用激光加工出各種不同類型的孔，主要應(yīng)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(jī)械不用拆卸就可直接打孔，尤其適用于汽車、航空等行業(yè)的動(dòng)平衡。激光打孔技術(shù)在機(jī)械工業(yè)各行業(yè)中廣泛應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)多，打孔變形小。精密度高，打孔深度可控，中心孔定位準(zhǔn)確。

．5激光淬火技術(shù)

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(qū)域內(nèi)快速吸收能量瞬間使其急劇達(dá)到高溫，又瞬間完成低溫淬火的高新技術(shù)。具有：高速加熱和高速自冷；激光淬火制品比常規(guī)淬火硬度高出5％～20％，可獲得極細(xì)硬幣七組織，加熱速度快、熱影響區(qū)小，淬火應(yīng)力��；可使被加工制品局部硬化；工藝周期短，生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高、易被計(jì)算機(jī)控制；無需冷卻介質(zhì)、無污染等優(yōu)點(diǎn)。

2．6激光熔覆技術(shù)

激光熔覆是用激光新技術(shù)修復(fù)舊設(shè)備，是再制造、再利用工程。此項(xiàng)新技術(shù)是以陳舊老化設(shè)備為對(duì)象，進(jìn)行二次加工，恢復(fù)和提高設(shè)備利用率，從而達(dá)到再次創(chuàng)造價(jià)值、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一門新技術(shù)工程，主要應(yīng)用于電力、冶金、鋼鐵、機(jī)械工業(yè)等領(lǐng)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(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)集成的一種全新制造技術(shù)。近期發(fā)展的LPR主要有：立體光造型(SLA) 技術(shù)；選擇性激光燒結(jié)(SLS) 技術(shù)；激光熔覆成形（LCF）技術(shù)；激光近形（LENS）技術(shù)；激光薄片疊層制造(LOM) 技術(shù)；激光誘發(fā)熱應(yīng)力成形（LF）技術(shù)及三維印刷技術(shù)等。

3. 激光加工技術(shù)航空航天工業(yè)中的應(yīng)用

3．1激光切割

激光切割技術(shù)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(jìn)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(duì)任何材料實(shí)現(xiàn)激光切割。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(chǎn)效率等特點(diǎn)。

在航空航天工業(yè)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(fù)合材料等。在航天航空設(shè)備的制造中，外殼采用特殊金屬材料制成，強(qiáng)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(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。激光切割一般用連續(xù)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(duì)于非金屬，深寬比可達(dá)100以上，金屬可達(dá)20左右。激光切割速度高，切割欽合金薄板為機(jī)械方法的30倍，切割鋼板為機(jī)械方法的20倍。激光切割的質(zhì)量好。與氧乙炔及等離子的切割方法相比，切割碳鋼質(zhì)量最好。激光切割的熱影響區(qū)僅為氧一乙炔。

激光切割技術(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，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的激光切割等方面。 

 3．2激光焊接

在航空航天工業(yè)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(jìn)行，目前正在用激光焊接代替電子束焊接。長(zhǎng)久以來，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件之間的連接一直采用落后的鉚接工藝，主要原因是飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用的鋁合金材料是熱處理強(qiáng)化鋁合金(即高強(qiáng)鋁合金)，一經(jīng)熔焊后，熱處理強(qiáng)化效果就會(huì)喪失，而且晶間裂紋難以避免。而激光焊接技術(shù)的采用，克服了這樣的難題，還大大地簡(jiǎn)化了飛機(jī)機(jī)身的制造工藝，使機(jī)身重量減輕18％，成本下降21．4％～24．3％，激光焊接技術(shù)是飛機(jī)制造業(yè)的一次技術(shù)大革命。

在20世紀(jì)70年代之前，由于沒有高功率連續(xù)激光器件，研究的重點(diǎn)是脈沖激光焊接，應(yīng)用于小型精密零件的點(diǎn)焊，或者由單個(gè)焊點(diǎn)搭接而成的縫焊。1971~1972年，隨著數(shù)千瓦CO2激光焊接試驗(yàn)的報(bào)道，情況發(fā)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(shù)的發(fā)展，橋梁、船舶等結(jié)構(gòu)都由傳統(tǒng)的鉚接工藝發(fā)展到采用激光焊接技術(shù)，但先進(jìn)的激光焊接技術(shù)難以在飛機(jī)制造中開展廣泛的應(yīng)用。長(zhǎng)久以來，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件之間的連接一直采用落后的鉚接工藝，主要原因是飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用的鋁合金材料是熱處理強(qiáng)化鋁合金（即高強(qiáng)鋁合金），一經(jīng)熔焊后，熱處理強(qiáng)化效果就會(huì)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(jī)制造中的應(yīng)用成為禁區(qū)。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(rèn)為是不可能的。主要是由于鋁合金存在對(duì)10.6mm波長(zhǎng)激光的高反射和自身的高導(dǎo)熱性。在當(dāng)時(shí)，激光加工主要使用波長(zhǎng)為10.6mm的CO2激光器，而鋁對(duì)CO2激光的反射率高達(dá)97%，通常作為反射鏡使用。但是，激光加工的優(yōu)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?yōu)榇烁冻隽舜罅康臅r(shí)間和精力來研究鋁合金激光加工的可能性。 
  目前，高強(qiáng)鋁合金激光焊接成果已經(jīng)成功應(yīng)用于歐洲空中客車公司飛機(jī)制造中，其鋁合金內(nèi)隔板均采用激光加工，實(shí)現(xiàn)了激光焊接取代傳統(tǒng)鉚接工藝。激光焊接技術(shù)的采用，大大地簡(jiǎn)化了飛機(jī)機(jī)身的制造工藝，使機(jī)身重量減輕18%，成本下降21.4%~24.3%，被認(rèn)為是飛機(jī)制造業(yè)的一次技術(shù)大革命�？湛虯380的制造就采用了激光焊接技術(shù)，極大地減輕了飛機(jī)自重，增加了載客量。德國(guó)政府2006年公布的科技發(fā)展計(jì)劃中將激光焊接技術(shù)列為航空工業(yè)兩大尖端發(fā)展技術(shù)之一。 

3．3激光打孔

激光打孔技術(shù)在航空航天工業(yè)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(fā)動(dòng)機(jī)零件方面，激光打孔僅限于加工發(fā)動(dòng)機(jī)靜止零件的冷卻孔，因?yàn)榭妆砻娲嬖谖⒂^裂紋。對(duì)激光束、電子束、電化學(xué)、電火花打孔、機(jī)械鉆孔和沖孔進(jìn)行試驗(yàn)研究，經(jīng)綜合分析認(rèn)為。激光打孔具有效果好、通用性強(qiáng)、效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

3．4激光熔覆技術(shù)

激光熔覆是一種重要的材料表面改性技術(shù)，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(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。近年來激光熔覆修復(fù)技術(shù)逐漸發(fā)展成為一種新型的先進(jìn)制造技術(shù)。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)而無需工模具。 
  激光熔覆的第一項(xiàng)工業(yè)應(yīng)用是Rolls Royce 公司1981年對(duì)RB211渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)殼體結(jié)合部件進(jìn)行硬面熔覆。表1所示為激光熔覆工業(yè)應(yīng)用實(shí)例。 
        表1 激光熔覆工業(yè)應(yīng)用實(shí)例  
  

  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。選擇一種合適的表面處理技術(shù)對(duì)螺旋槳葉片進(jìn)行修復(fù)，對(duì)節(jié)省裝備維護(hù)費(fèi)用，提高裝備使用壽命具有很重要的意義。激光熔覆技術(shù)可以很好的用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片激光三維表面熔覆修復(fù)。 

3．5激光近形(LENS)制造技術(shù)
     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(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)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(fù)。為了實(shí)現(xiàn)修復(fù)，補(bǔ)充缺損的材料，常常進(jìn)行多層加工，在此基礎(chǔ)上形成了激光生長(zhǎng)技術(shù)。 
  激光近形制造技術(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。2001年在美國(guó)國(guó)防部的支持下激光近形制造技術(shù)有技術(shù)研究轉(zhuǎn)化為F/A-18E/F、F-22、JSF等先進(jìn)殲擊機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用。2002年以來激光近形制造技術(shù)成為美國(guó)航空航天國(guó)防武器裝備大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的核心制造新技術(shù)之一。在四代機(jī)F-22中鈦合金結(jié)構(gòu)件用量占機(jī)身結(jié)構(gòu)重量的41%，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中鈦合金占發(fā)動(dòng)機(jī)重量的25-40%。鈦合金用量的高低已經(jīng)成為衡量飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等國(guó)防裝備先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。由于大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的傳統(tǒng)制造方法具有成本高、鍛造模具準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、大型以及超大型工業(yè)設(shè)施（高噸位水壓機(jī)以及超大型自由鍛造設(shè)備等）匱乏、數(shù)控加工設(shè)備稀缺、機(jī)械加工量大、材料利用率低等弱勢(shì)，采用激光近形制造技術(shù)直接制造大型鈦合金結(jié)構(gòu)件顯示了巨大的優(yōu)勢(shì)。 

  在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的快速修復(fù)方面LENS技術(shù)也發(fā)揮了極大的優(yōu)勢(shì)。例如美軍為了取得軍事上的優(yōu)勢(shì)在惡劣的沙漠環(huán)境中使用T700黑鷹直升機(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。葉輪的侵蝕不僅減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行壽命，還導(dǎo)致燃料損耗增加、馬達(dá)動(dòng)力減弱、工作溫度升高以及壓氣機(jī)和渦輪零部件的損害。如果更換整個(gè)葉輪，成本將非常昂貴。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，可以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，減少檢修頻率。美軍運(yùn)用LENS技術(shù)檢查修復(fù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件，包括渦輪轉(zhuǎn)子、密封轉(zhuǎn)輪、間隔壓氣機(jī)、導(dǎo)向器葉片、壓氣機(jī)定子、壓氣機(jī)葉片等。LENS 系統(tǒng)能夠在很短時(shí)間內(nèi)修復(fù)用常規(guī)方法無法修復(fù)的高溫合金破損零部件。此外美國(guó)空軍在還應(yīng)用LENS 技術(shù)對(duì)快速制造X - 45A 無人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)模型進(jìn)行了響應(yīng)空氣動(dòng)力學(xué)分析的試驗(yàn)測(cè)試以及其他應(yīng)用。 

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