激光切割技術在航空發動機制造中的應用

邱兆峰

1. 概述

激光加工技術作為最先進的加工制造技術之一，具有高精度、高可控性、高效率等優點，可解決特種機械制造中的多項難題。由于航空發動機大量采用鈦合金、高溫合金、不銹鋼及非金屬特種涂層等特種材料，這些材料具有高硬度、高脆性、高熔點、高黏度及低導熱性特點，常規的機械加工較難加工，所以激光加工技術必然成為機械制造業明珠——航空發動機制造的一項技術。

激光加工技術在航空發動機制造中的應用包括激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面處理、激光增材制造等，其中激光切割占激光加工總產量的70%以上，是一項主要的激光工藝技術。激光切割加工技術是推動以航空、航天飛行代表的運動載工具向高性能、輕量化、長壽命、短周期、低成本等方向發展的關鍵制造技術。尤其在航空工業，激光切割加工技術極大地促進了航空制造技術的跨越發展。

一臺航空發動機從進氣道到尾噴口的各個部件的上百種零件需激光切割。激光切割的應用，解決了多項航空發動機難加工材料的切割、大型薄壁件群孔高效加工、零件葉型孔高精度切割、特種表面零件加工等加工難題。激光切割技術應用零件較多，本文以部分零件的制造技術介紹激光切割技術在航空發動機制造中的應用

2. 激光切割在零件制造中的應用

（1）扇形葉型板型孔激光精密加工 首先，扇型塊是航空發動機的典型結構件，由內到外分別由流道葉型板、大彎邊葉型板、葉片、T 型葉型板和上葉型板經高溫真空釬焊而成。扇形塊焊接組合件示意如圖1所示。

葉片為軋制件，輪廓精度為0.05mm，前、后緣R0.12mm。為滿足釬焊對葉片與葉型板上的葉型孔裝配間隙0.05～0.1mm的要求和各型孔φ0.08mm位置度要求，流道葉型板、大彎邊葉型板和上葉型板的葉型孔加工允許采用激光切割，重熔層厚度≤0.03mm。保證零件的輪廓度、位置度和重熔層要求是該零件的難點。流道葉型板零件如圖2所示。

圖1 扇形塊焊接組合件

其次，切割設備選用LASERDYNE—780型激光加工系統，X、Y、Z行程分別為826mm×686mm×686mm。伺服系統為5坐標6軸聯動全飛行光路，可在行程范圍內進行任意位置和角度連續運動，可保證多個空間運動的定位精度0.013mm。設備配置了高倍率同軸的監視器，定位精度達0.0025mm。該系統配置的激光器為JK704型YAG激光器，平均功率235W，峰值功率20kW，脈沖頻率1～200Hz，脈沖寬度0.3～10ms。YAG激光器的波長為1.06μm，適合切割金屬材料。

采用高性能激光加工系統，保證了零件三維空間加工精度。選用600mm/min的切割速度、80Hz的脈沖頻率、0.4 ms的脈沖寬度、平均功率180W、JK704型YAG激光器特有的尖峰模式，產生的峰值功率可達10kW。高峰值功率、高切割速度和低平均功率保證了零件在激光切割過程中不產生溫升，零件無熱變形。結合高倍率同軸的監視器的使用，從而保證了重熔層厚度＜0.03mm的要求，加工后的葉型孔的輪廓精度和位置精度均＜0.05mm，零件達到設計要求，已進行批量生產。

（2）隔熱屏群孔激光精密切割 首先，隔熱屏呈錐形多環波，壁厚0.8~1.2mm，直徑和高度在1m左右，孔徑1~5mm，孔垂直于零件表面，數量2000~10萬個不等。該類零件一般采用鈑金成形和焊接工藝制造，熱處理后，殘留較大的變形，變形不易消除。零件自由狀態下圓度偏差達到100mm、波高偏差約3mm，波距偏差約5mm。孔的加工是孔中心距波峰的位置精度±0.2mm。由于零件在自由狀態下偏差較大，孔的數量極多，一般的加工方法無法高效和質量要求，所以需采用激光加工。要加工的孔徑＞0.8mm，孔采用激光環切的方法加工。

在零件存在圓度大、波高、波距偏差的情況下保證孔位置度要求是該零件的難點。隔熱屏零件如圖3所示。

其次，選用LASERDYNE—795型激光加工系統，X、Y、Z行程分別為2 000mm×1 000mm×1 000mm。伺服系統為五座標六軸聯動全飛行光路，有X、Y、Z三個直線軸，C、D兩個擺動軸和高精度立式轉盤，通過編程實現了孔垂直于零件表面的要求。該系統配置的激光器為CL50K型YAG激光器，平均功率200W，峰值功率50kW，極高的峰值功率保證了小孔的切割質量。該設備有自動聚焦、零件特征掃描、表面位置遠程追蹤及追蹤方向設定等先進功能，為較大偏差零件的高精度加工提供了技術條件。

通過零件特征掃描，測量出零件上多個波的每一波峰的實際位置，再用多功能加工程序運算調整每一排的打孔位置，實現環狀波型件軸向高精度打孔。零件特征掃描如圖4所示。

零件上的孔是垂直于零件表面的，傳統的追蹤方法是沿著加工方向追蹤，會產生一定的高度偏差。利用定向追蹤表面技術，保證孔位置測量與加工的正確性。定向追蹤表面如圖5所示。通過應用多個先進功能保證了零件的要求，切孔完成的零件如圖6所示。

圖2 流道葉型板零件示意

圖3 隔熱屏零件

（3）鈦合金化銑涂層激光切割 首先，航空發動機為提高性能，常設計出有特殊要求的零件。如圖7機匣筒體，零件為鈦合金材料，筒體φ1000mm，高600mm，壁厚1mm。在筒體上分部各種功能的安裝座及5mm厚的加強筋，達到1mm厚筒體的重量，4 mm筒體強度的性能。

該零件可以采用5mm厚的筒體用數控加工中心機械加工的方法制造，但存在鈦合金材料機械加工難度大、加工量大加工效率低、零件大而薄不易保證要求等多個問題。采用化銑的加工方法可大幅度提高效率和質量，降低成本。

機匣筒體化銑是將零件制造成5mm厚的筒體鈦合金筒體，在零件表面涂防腐涂層，按筋和安裝座的形狀高精度地刻出形線，將需銑削表面的涂層去除，將零件浸入化銑液中浸蝕，完成零件的加工。形線的精確高效刻型是化銑技術的關鍵技術，只有激光切割可滿足要求。

其次，選用LASERDYNE —890型激光加工系統，X、Y、Z行程分別為2 400mm×1 800mm ×900mm。伺服系統為5坐標6軸聯動全飛行光路。該系統配置的激光器為PRC3000型CO2激光器，最大功率3 000W。由于激光的波長為10.6μm，是YAG激光器波長的10倍，在常溫狀態下一般金屬的吸收率小于10%，在高溫下吸收率可達70%以上。所切割的金屬零件有明顯溫升，不適合加工＜2mm的孔和零件的精密加工，可高效切割一般精度的零件。但對非金屬材料，該波長的激光吸收率近100%。

采用LASERDYNE—890型激光加工系統對涂層進行切割，達到了復雜形線的高精度、高效率切割。利用CO2激光波長對金屬的高反光率和對非金屬的高吸收率的特性，通過功率參數控制，達到了只切割防護涂層，不燒傷鈦合金零件的目的。刻型后的零件局部照片如圖8所示。零件上的綠色不防護涂層，白線為散焦預刻線，目的是驗證切割程序的正確性，白線中間的是激光切割線，該線已切透涂層，未切傷金屬零件。

圖4 零件特征掃描

圖5 定向追蹤表面

圖6 隔熱屏局部照片

圖7 機匣筒體形線展開示意

圖8 刻型后的零件局部照片

3. 結語

（1）采用高性能激光加工系統，利用高倍率同軸的監視器高精度定位與低平均功率、高峰值功率的YAG激光器特性，控制激光切割時激光對零件的熱影響，保證扇形葉型板型孔精度和重熔層要求，

（2）在無法用工裝限制加工的、自由狀態下易變形的筒形多環波隔熱屏群孔激光切割應用中，利用設備的零件特征掃描、表面位置遠程追蹤、追蹤方向設定等先進功能對零件進行掃描，通過編程自動運算，完成低精度零件高精度激光切割。

（3）在化銑技術應用中，利用CO2激光器對金屬和非金屬反射率不同的特點，用先進激光機完成復雜形線高精度切割，保證了激光將涂層切透，并不燒傷零件的要求。