現代激光技術在航空機械加工中的應用初探

王巖巖 周 博

（沈陽飛機工業(集團)有限公司，遼寧 沈陽110850）

1 航空機械加工的發展形勢

航空制造領域是國家投入很多財力和物力的高科技領域，它所涉及的機械加工對精度有很大的要求，經過六十年的艱辛探索，航空制造領域已經形成了一個專業的技術領域，這些技術領域包括制造過程自動化技術、超精密加工技術，特種加工技術，成形技術、連接技術、表面改性技術、無損檢測、表面安裝技術、復合材料構件制造。這些領域都涉及到機械加工技術，機械加工需要保證加工出來后產品的質量，然而早期機械加工的產品精度低，強度不滿足使用要求，機械加工起步緩慢，為了提高產品的精度和強度，技術人員引入了激光技術，激光技術由此隨著機械加工而慢慢發展成熟，使得航空機械加工的精度和強度逐漸提高。

2 激光技術的特點及應用

2.1 激光切割技術特點及其應用

其特點是切割速度快，切面平整光滑，加工過程可以控制切割空隙的寬度，施工過程產生的有害氣體較少，對人體的傷害較輕。但是激光切割過程中激光束的溫度和二氧化碳溫度經過透鏡聚焦而升高，切割過程身體容易被飛濺的高溫鐵屑所燙傷，所以在使用激光切割技術時要做好自身防護，與正在切割的設備保持安全距離。

激光切割技術可以用于加工質量和精度要求很高的航空零部件。比如航空發動機，航空發動機的結構復雜，里面的零件數量眾多，材質大不相同，大量采用鈦合金、高溫金、不銹鋼以及其他的非金屬特殊涂層，這些材料硬度高，耐高溫，如果使用傳統的加工方式，會使得加工得到的零部件很難滿足使用要求，然而利用激光切割技術可以很好解決掉切割難題，切割效率高。

2.2 激光焊接技術特點及其應用

其特點是焊接牢固，焊縫小，焊接薄的板片時不會出現穿洞現象，可以將隔熱材料、纖維材料和金屬材料焊接在一起，激光焊接后的熱影響區和變形區都很小，加熱速度和冷卻速度都很快，結晶速度比一般熔焊的快幾十倍，熱影響區小，材料變形小無無需后期工序處理。目前激光切割技術廣泛與工業機器人結合，焊接過程自動化，智能化。隨著高功率激光器的不斷發展，焊接技術由之前的傳導焊轉變為深熔焊，由此擴大了加工范圍。激光焊接技術可以應用在飛機大蒙皮的拼接以及蒙皮與長桁的焊接，腹鰭和襟翼的翼盒；在發動機制造方面，航空發動機薄壁高精度構件的焊接廣泛采用激光焊接技術。激光焊接提高了焊接效率，簡化了加工工藝，提高了強度。鋁合金內隔板采用激光焊接表示激光焊接技術取代原先的鉚接技術，用鋁合金作為機身的制造材料可以減輕機身的重量，如德國的宇航公司、空中客車公司都應用了此項技術。

2.3 激光打孔技術特點及其應用

其特點是打孔速度快，無需使用鉆頭加工，減少了鉆頭的消耗，對加工的材料沒有太多的局限性，金屬材料和非金屬材料都可以用激光進行打孔，在加工的準備工作中不需要對工件使用夾具夾持就能完成打孔操作。航空機械加工需要在板材上打很多細小的孔，這些細小的孔可以采用激光進行打孔，形成的孔質量好，而且打孔速度快。

2.4 激光熔覆技術特點及其應用

其特點是熔覆快，能將工件表面的銹斑快速的覆蓋在原有的材料表面，不需要清除銹斑就能完成加工，常常使用這項技術修復腐蝕的工件表面，提高使用壽命。目前飛機的使用材料是鈦合金和鋁合金，鈦合金具有高強度，耐腐蝕性，耐高溫性，重量輕的優點，同時具有低硬度，不耐磨等缺點，當鈦合金表面的氧化膜破壞時，其耐腐蝕性就會大大降低；鋁合金質量輕，但是硬度低，耐磨性差。當使用激光熔覆技術對鈦合金表面和鋁合金表面進行處理時，表面的硬度會變大，耐磨性會增強，此時熔覆層的厚度在3mm 左右，承載能力強。當鈦合金和鋁合金表面熔覆高性能的陶瓷涂層時，材料的耐磨性、耐高溫性可以大幅度的提高。

2.5 激光回饋技術特點及其應用

激光回饋效應是指將激光發射器發射的激光經過被測物體表面反射回到發射器并對反射器輸出光強、偏振態和相位進行調制的一種現象，其特點是高靈敏度和高精度，航空設備中的零件都是高精度的零件，需要對其進行精確測量來定位加工，而以往的測量方式都是有一定的誤差，而使用激光回饋技術可以精確工件上孔的位置、直徑，、工件整體長度、螺紋的外徑和內徑，為精確加工打好基礎。

此項技術對機械精密加工校準有一定的指導意義。航空設備中的零部件依賴于高精密加工，這些零部件的特點是高性能，輕量化，精密化，高效化，可靠性和精密性。雖然是高性能零部件，但是這些零部件的加工技術仍不完備；為了減少航天飛行器的質量，需要使用質量更輕的的零件，這些零件都是薄壁結構，需要進一步加工才能滿足使用要求，這些高精度的航空零件都是用數控機床加工出來的，數控機床是從事精密加工的一個重要設備，數控機床的精度反映了一個國家機械加工的水平，從它的出現開始，數控機床的加工誤差被很多研究學者所研究，經過這些年的艱苦探索，機床加工的精度等級逐漸提高，加工方式更加智能化的數控機床陸續投入使用，但是，在機床校準和檢定方面仍需繼續努力完善，目前大多數數控機床采用的是雙頻激光干涉儀進行機床校準。雙頻干涉儀的缺陷是氦氖激光器輸出功率低，耗能大，可使用時間短，工作時需要目標靶鏡的配合，為了解決這些缺點，開始研究具有準共路補償的激光回饋干涉儀。

激光回饋干涉儀中增加了參考鏡，參考鏡將從激光器中發出的一部分光線散射回到激光器，作為參考回饋光，另一部分光線被被測物體散射返回到激光器，作為測量回饋光，兩種散射回去的光線共路，移頻不同，導致對激光光強的調制頻率不同。為了得到參考回饋光和測量回饋光的相位變化，需要解調不同頻率信號的相位變化來推斷。前者的相位變化來源于空氣的擾動、移頻器件熱效應、激光波長等因素；后者的相位變化來源于空氣的擾動、移頻器件熱效應、激光波長、被測物體的運動等因素。兩者排除共有的影響因素之后，就在一定程度上減小了死程誤差。實現了對微元件、輕元件、薄元件、透元件表面的位移、形變、伸縮等參數的精確測量。

金剛石車床中引入激光回饋技術大大提高了校準精度，當機床中未放置激光回饋干涉儀時，由于在校準過程中需要改變反光鏡的位置，所以在測量過程中會出現余弦誤差，導致定位精度下降，激光回饋干涉儀的使用將定位精度提高到700nm，此時的定位精度遠遠大于之前的定位精度，為后續的精確加工打好了基礎。

3 結論

現代激光技術在航空機械加工中快速發展，衍生出了很多技術，如激光切割技術、激光焊接技術、激光打孔技術、激光熔覆技術、激光回饋技術。激光切割技術使得切割出來的部件表面光滑，不結渣，縫隙可控，常適用于切割硬度較大，耐高溫的鈦合金材料；激光焊接技術可以將不同材料的部件焊接到一起，焊接接口美觀結實，適用于焊接飛機外殼和發動機內部薄壁構件；激光打孔技術使得加工孔的位置更加精確，加工速度更快；激光熔覆技術可以更好的修復合金腐蝕表面，提高合金表面的耐磨性和耐高溫性；激光回饋技術可以更加精確的測量部件的尺寸和校準數控機床的加工精度。

現代激光技術的應用是航空機械生產中應用的一項主要加工技術，因此如何更好的發揮激光加工技術，進而提高我國航空機械生產質量與技術水平，就成為了技術研究的重要組成部分，這一研究的開展一方面有助于我國航空機械生產水平的整體提高；另一方面也對我國現代激光技術的應用發展起到了推動作用，進而為我國航空機械生產技術發展提供技術理論支持。