熱情 主動 睿智——訪北京航空制造工程研究所副總工程師鞏水利研究員

本刊記者/Reporter 汪藝/WANG Yi

航空航天技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，制造技術(shù)及相關(guān)裝備對航空航天制造的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，我們國家的航空航天制造技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展如何？帶著這樣的問題本刊記者采訪了北京航空制造工程研究所副總工程師鞏水利研究員，鞏總介紹了他多年所做的工作及這些工作在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用。

鞏總從大學(xué)畢業(yè)一直從事焊接技術(shù)研究與應(yīng)用工作，先后開展了傳統(tǒng)弧焊技術(shù)、無損檢測技術(shù)和現(xiàn)在的高能束流焊接技術(shù)與應(yīng)用研究,與此同時，鞏總還積極關(guān)注新的技術(shù)領(lǐng)域，主要貢獻(xiàn)有：（1）以我國武器裝備發(fā)展需求為目標(biāo)，確定敢為人先的精神，組件研發(fā)隊伍，艱苦奮斗，打破國際封鎖，短短十年時間，突破了飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)輕質(zhì)合金激光焊接基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)研究，實現(xiàn)激光對接焊、填絲焊接及其復(fù)合焊接和大功率激光雙光束填絲焊接技術(shù)三級跳躍，率先實現(xiàn)了大型復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)激光焊接并應(yīng)用于先進(jìn)飛行器整體化、輕量化長壽命和高可靠制造，使激光焊接技術(shù)站在了世界前沿，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。（2）針對增材制造技術(shù)的快速發(fā)展和強(qiáng)大的應(yīng)用潛力，敏銳地意識到這一領(lǐng)域的技術(shù)對航空制造技術(shù)的提升和助推作用。在制造所和重點實驗室積極推動發(fā)展增材制造技術(shù)，在國內(nèi)率先開展電子束熔絲成型技術(shù)研究和大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)激光精密選區(qū)成型制造技術(shù)研究。并將這兩項技術(shù)成果首次應(yīng)用于航空關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的制造，使該技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)或領(lǐng)先水平。（3）積極跟蹤和掌握國際表面工程技術(shù)發(fā)展動態(tài)和趨勢，在繼續(xù)推動重點實驗室表面工程原有專業(yè)技術(shù)發(fā)展的同時，堅定拓展新方向，積極開展表面結(jié)構(gòu)功能一體化制造、超快激光制造技術(shù)研究等國際前沿技術(shù)，為提升新一代航空飛行器技戰(zhàn)性能奠定了扎實技術(shù)基礎(chǔ)。

雙光束激光焊接

雙光束激光焊接技術(shù)是實現(xiàn)帶筋壁板結(jié)構(gòu)的蒙皮與加強(qiáng)筋之間T型接頭焊接的關(guān)鍵技術(shù)手段，即采用兩束激光沿加強(qiáng)筋板兩側(cè)對壁板結(jié)構(gòu)T型接頭實施同步焊接，完成蒙皮與加強(qiáng)筋之間的連接。其優(yōu)點是由于采用了對稱的焊接熱源，從T型接頭兩側(cè)同步施焊，最大程度地減小焊接產(chǎn)生的變形，保證蒙皮外型面的形狀精度。因此，雙光束激光焊接技術(shù)在國外航空制造領(lǐng)域迅速得到了應(yīng)用。20世紀(jì)80年代后，英國焊接研究所（TWI）開展了筋條和基板厚度分別為3.5 mm和3 mm的AA2014鋁合金加筋壁板激光焊接研究，并成功實現(xiàn)了雙光束YAG激光填絲焊焊接，焊接接頭質(zhì)量良好，焊接變形小于TIG焊。德國宇航公司MBB將雙光束激光焊接技術(shù)應(yīng)用于機(jī)身、機(jī)翼、內(nèi)隔板等與加強(qiáng)筋的全部連接，取代原有的鉚接工藝。而空客公司在以A380為代表的系列機(jī)型上均大量采用了雙光束激光焊接的鋁合金整體壁板，即采用雙光束激光焊接技術(shù)將6013 T6鋁合金機(jī)身蒙皮與6013 T6511鋁合金加強(qiáng)筋焊接成為整體機(jī)身壁板，取代原有的鉚接密封壁板，強(qiáng)度提高近20%，結(jié)構(gòu)重量減輕近20%，成本降低25%。2003年，空中客車公司與BIAS等研究所合作，先后采用雙光束CO2激光填絲焊和YAG激光填絲焊成功地焊接了A318客機(jī)鋁合金下壁板結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)激光焊替代鉚釘，隨后空中客車公司又將激光焊擴(kuò)展應(yīng)用于空客A380、A340等機(jī)型的下壁板結(jié)構(gòu)，A380的艙壁門筋板以及無人駕駛飛機(jī)結(jié)構(gòu)。

雙光束激光焊接技術(shù)的這些應(yīng)用使焊接技術(shù)成功地實現(xiàn)了從零件級到部件級，甚至部件間連接的質(zhì)的跨越，這被認(rèn)為是航空制造業(yè)的一次偉大的技術(shù)變革。

緊跟國外激光焊接技術(shù)研究和應(yīng)用的發(fā)展，鞏總所在的北京航空制造工程研究所高能束流加工技術(shù)重點實驗室組建了一個團(tuán)結(jié)協(xié)作、激情進(jìn)取的精英團(tuán)隊，先后建立了3 kW YAG激光和4 kW CO2激光焊接系統(tǒng)以及先進(jìn)的大功率光纖激光焊接平臺等，以整體化焊接的鈦合金、鋁合金蒙皮類、型腔類及壁板類結(jié)構(gòu)為研究對象，先后開展了激光深熔焊接技術(shù)、各種激光復(fù)合焊接技術(shù)以及雙光束激光焊接技術(shù)等的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，并成功地將活性劑激光焊接技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)鈦合金蒙皮類和型腔類結(jié)構(gòu)的對接拼焊。雙光束激光焊接技術(shù)研究也獲得重大突破，并率先應(yīng)用于飛機(jī)鈦合金壁板類結(jié)構(gòu)蒙皮與加強(qiáng)筋之間的整體化焊接。確立了這項技術(shù)在國際的領(lǐng)先地位。

增材制造技術(shù)

高能束流增材制造技術(shù)也就是我們所說的3D打印技術(shù)，是基于離散/堆積原理的增材成型技術(shù)，由零件的3D模型可直接制造出任意復(fù)雜形狀的金屬零件，能夠大大減少制造工序、縮短生產(chǎn)周期，節(jié)省材料、降低成本。自上世紀(jì)90年代中期以來，該技術(shù)已發(fā)展為多種門類。

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所增材制造是高能束流加工技術(shù)國家重點實驗室的3個主要研究方向之一，也是我國最早開展增材制造技術(shù)研究單位之一，目前擁有以關(guān)橋院士為學(xué)術(shù)帶頭人、中青年研究員、博士、碩士為骨干約20余人的研究團(tuán)隊，專業(yè)涵蓋成形工藝、裝備開發(fā)、軟件設(shè)計、性能測試等各個領(lǐng)域。中航工業(yè)北京航空制造工程研究所增材制造技術(shù)在各級領(lǐng)導(dǎo)和兄弟單位的關(guān)心支持下，進(jìn)入了快速發(fā)展期，先后獲得重點實驗室基金、航空聯(lián)合基金、航空支撐、總裝預(yù)研、國防基礎(chǔ)預(yù)研、重點型號技術(shù)攻關(guān)等項目支持。目前正積極努力將成果更多、更快、更好地推廣應(yīng)用于國家重大項目的研制生產(chǎn)。目前開展的研究方向有電子束熔絲沉積、電子束選區(qū)熔化、激光直接沉積和激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)。

北京航空制造工程研究所于2006年開始電子束熔絲沉積成形技術(shù)研究工作，也是國內(nèi)最早從事這項技術(shù)研究的單位。開發(fā)了國內(nèi)首臺電子束熔絲沉積成形設(shè)備，目前開發(fā)的國際最大的電子束成形設(shè)備真空室46 m3，有效加工范圍1.5 m×0.8 m×3 m，5軸聯(lián)動，雙通道送絲。在此基礎(chǔ)上，研究了TC4、TC18鈦合金的力學(xué)性能，研制了大量鈦合金零件和試驗件并得到技術(shù)驗證。2012年，電子束快速成形鈦合金零件在國內(nèi)率先實現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用。自“十五”開始，在國家自然科學(xué)基金委員會、國家863 計劃、國家973 計劃、總裝預(yù)研計劃等國家主要科技研究計劃資助下，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所開展了激光直接沉積工藝研究、力學(xué)性能控制、成套裝備研發(fā)及工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并取得了較大進(jìn)展。中航工業(yè)北京航空制造工程研究所對某型號發(fā)動機(jī)TC11鈦合金斜流整體葉輪誤加工超差進(jìn)行了修復(fù)，目前已順利通過試車考核。重點突破了金屬零件激光選區(qū)熔化增材成形關(guān)鍵技術(shù)和裝備。解決了激光選區(qū)熔化成形過程粉末球化、應(yīng)力及變形、缺陷檢測及控制和組織調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)難題，研制出國內(nèi)最大的激光選區(qū)熔化增材成形的空間曲面多孔金屬件，與設(shè)計單位編制和制定了金屬零件的激光選區(qū)熔化增材成形的材料和制件技術(shù)條件以及相關(guān)工藝規(guī)程和規(guī)范，率先實現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用，該項技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

高能束焊接及表面工程

鞏總在高能束焊接方面主要開展的研究方向為：（1）高能束與特種能場的特性、檢測及調(diào)制、復(fù)合與優(yōu)化；（2）高能束、特種能場和材料的相互作用機(jī)理；（3）高能束與特種能場制造的新原理、新工藝和新方法及其應(yīng)用；（4）高能束與特種能場過程穩(wěn)定性機(jī)制與質(zhì)量控制原理與方法。

高能束流加工技術(shù)重點研究與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域之一就是表面工程。我國新型武器零部件的性能、可靠性和使用壽命要求越來越苛刻，以航空發(fā)動機(jī)為例，未來軍用發(fā)動機(jī)空中停車率要達(dá)到0.01‰～0.06‰飛行小時，民用發(fā)動機(jī)達(dá)到0.002‰～0.02‰飛行小時，同時軍用發(fā)動機(jī)也提出了很高的性能要求。為達(dá)到這些壽命、可靠性和抗疲勞等性能的技術(shù)要求, 迫切需要對零部件進(jìn)行高能束表面加工處理，按照工件處理表面的厚度不同可以將其劃分為3類：表面改性、薄膜及涂層技術(shù)。作為高能束流加工技術(shù)重要發(fā)展領(lǐng)域之一，高能束流表面工程在航空航天等工業(yè)領(lǐng)域具有舉足輕重的地位和作用。

航空制造技術(shù)發(fā)展方向

在談及航空領(lǐng)域加工制造技術(shù)的情況時，鞏總介紹道我國是制造大國而不是制造強(qiáng)國，在航空制造技術(shù)領(lǐng)域主要表現(xiàn)在一下幾個方面：

（1）用于基礎(chǔ)制造的航空航天專用裝備技術(shù)總體落后，在制造尺度、制造精度、制造可靠性、制造成本效益比等方面還較發(fā)達(dá)工業(yè)國家落后。如大型整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工裝備：包括多坐標(biāo)/多主軸 /高剛性/大功率數(shù)控龍門銑削設(shè)備、輕型高速/多坐標(biāo)銑削設(shè)備、立式加工中心等航空領(lǐng)域急需的數(shù)控加工設(shè)備、工藝及主要部件的國產(chǎn)化；大型精密鈑金成形裝備：包括數(shù)控噴丸成形設(shè)備、快速成型設(shè)備、數(shù)控旋壓成形設(shè)備及工藝；大型金屬結(jié)構(gòu)先進(jìn)焊接裝備：包括電子束焊接設(shè)備、激光焊接設(shè)備、攪拌摩擦焊設(shè)備及工藝等；復(fù)合材料構(gòu)件制造裝備：包括復(fù)合材料構(gòu)件制造鋪帶設(shè)備、絲束鋪放設(shè)備、纏繞設(shè)備、大型無損檢測設(shè)備、縫紉設(shè)備、大型熱壓罐、 固化爐及工藝等；飛機(jī)裝配自動化設(shè)備：包括精密制孔設(shè)備、自動鉆鉚設(shè)備、電磁鉚接設(shè)備、柔性自動裝配系統(tǒng)、柔性工裝及工藝等；用于鈦合金、高溫合金整體結(jié)構(gòu)機(jī)匣、整體葉輪、整體葉盤、發(fā)動機(jī)葉片等加工裝備：精密數(shù)控五坐標(biāo)加工中心、數(shù)控鏜銑床、榫齒成形磨床、數(shù)控電加工裝備需求；用于葉片制造的數(shù)控超塑成形、擴(kuò)散焊等特種焊接（大型真空釬焊設(shè)備、線性摩擦焊、特種加工（包括激光、電子束、離子束、磨粒流加工等）裝備需求等。

（2）國內(nèi)還沒有形成獨立、完整的國家或行業(yè)技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如金屬加工類高檔數(shù)控設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)系列及規(guī)范、金屬成型技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ｓ醚b備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)系列及規(guī)范、航空連接技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ｓ醚b備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)系列及規(guī)范、飛機(jī)裝配技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ｓ醚b備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)系列及規(guī)范、特種加工技術(shù)領(lǐng)域類專用裝備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)系列及規(guī)范等。

對這些差距和問題，鞏總說：“國家十分重視，也正在通過各種發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃和決策，采取各種重大舉措盡快改變；相信經(jīng)過多年的不斷努力和奮斗，我國在制造領(lǐng)域會逐步縮小差距、趕上或超過發(fā)達(dá)工業(yè)國家，成為制造強(qiáng)國。”

鞏總最后總結(jié)這些年自己工作的體會認(rèn)為：首先要有熱情和激情，主動交流和推動新技術(shù)的應(yīng)用；其次要有敏銳的眼光和頭腦，緊密結(jié)合需求，起點要高，目標(biāo)要準(zhǔn)，步子要快，只有這樣才不落后。