激光技術在航空制造中的技術改造

摘要：激光技術是一種高效易控、無接觸式的新型加工方式。在航空制造領域中，激光技術的應用主要包括打標、焊接、切割、打孔、熔覆以及航空零部件的精密加工。我國早已成為航天大國，神舟系列的載人航天、嫦娥系列的探月考察、天宮系列空間實驗室、北斗衛星導航系統取得的成就舉世矚目?，F代化航天航空產業，需要先進的激光制造技術跟進。本文在對航空制造中的激光技術應用研究的基礎上，闡述了目前技術改造的趨勢。

關鍵詞：激光技術 航空制造 技術改造 激光加工

Abstract： Laser technology is a new processing method with high efficiency， easy control and no-contact. In the field of aviation manufacturing， the application of laser technology mainly includes marking， welding， cutting， drilling， cladding and precision machining of aviation parts. China has long become a space power. The achievements of Shenzhou series manned spaceflight， Chang'e series lunar exploration， Tiangong series space laboratory and Beidou satellite navigation system have attracted worldwide attention. Modern aerospace industry needs advanced laser manufacturing technology to follow up. Based on the research on the application of laser technology in aviation manufacturing， this paper expounds the current trend of technological transformation.

Key Words： Laser technology; Aviation manufacturing; Technical transformation; Laser processing

激光加工的原理是使用高能量的激光束切除、熔化，改變工件指定位置的性能，通過相應的控制手段將其按照加工軌跡照射到加工面上實現的。在激光加工發展進程中，首先是納秒激光的應用階段，通過納秒級的激光脈沖能瞬間超過材料破壞閾值，從而達到融化和蒸發的加工效果。實際加工中，此階段應用在加工材料表面會有熔融效應，產生重鑄層和微裂紋，在對材料要求極其嚴格的航空制造中無法大量應用。目前是超快激光的應用階段。近年來，隨著固體材料的迅速發展，皮秒脈沖的激光技術很快應用于工業中，通俗稱為超快激光，它產生的超短脈沖與材料作用時間極短，能避免對分子熱運動的影響，因此也被稱為冷加工。它具有更短的脈沖寬度和更高的峰值功率，能夠實現精細加工，最重要的是不會產生微裂紋和重鑄層，沒有熱效應，滿足航空制造業的絕大部分應用要求。

技術改造是采用新技術、新工藝、新設備、新材料對現有設施、工藝條件及制作環節進行提升，打破傳統加工方法的束縛，淘汰落后產能，實現高效式發展的改造活動。實踐證明，用先進實用的激光技術改造傳統航空制造產業，不僅具有工期短、見效顯著的特點，而且能有效避免材料利用率低、模具準備時間長、機械加工量大等弱點，從而提高企業效益。激光是推動航空航天制造業向低成本、高性能、長壽命、輕量化方向發展的不可或缺的關鍵技術。唯有自主創新，專注研發，掌握自主知識產權，才能在國際競爭中把握命運。我國激光表面精細制造技術也落后于部分發達國家， 需要大幅度提高新型難加工材料部件上的激光加工能力水平，提升我國航空航天制造業的競爭力。

1 激光加工技術的優點

激光控制方便并且穩定，很容易同精密機械與電子技術相集成，從而實現高精度的自動化控制。激光加工屬于無接觸式加工，可以避免工件劃傷，不會造成接觸式污染，實現無人加工、對運動工件加工或內曲面工件加工等。激光功率可控性高，既可以實現精密微細加工，又可以加工大型材料。激光加工強度大，即使熔點高、硬度大的材料也基本可以適用。激光加工更加易于做現場數據管理，因為其永久標識和DPM功能，可高效地實現數據下發、采集、管理。

具體可概括為以下幾點。（1）不用模具：零件更改時，只需改變程序，縮短生產準備周期，又能適應零件批量少、品種多、變更大的新產品試制要求。（2）不用劃線：加工精度和重復精度高，可切復雜曲線外形，切割速度快，達2～4m/min，工作效率提高8～20倍。（3）切縫窄：0.1～0.2mm，還可以套裁，可節省材料20%～25%。（4）節省夾具：切割時不需要剛性夾緊，工件不受力，可切蜂窩結構及薄板易變形零件，可實現自動加工。（5）激光加工易于操作，節能環保，能提升產品質量和生產效率。（6）穩定性強、滲透性強可滿足工業大批量生產加工需求。

2 航空生產中的激光應用及技術改造

2.1激光打標技術

航空制造的特點是技術含量高、新型難加工復合材料結構復雜、零件數量多、加工難度大和生產加工時間長。產品要經過設計、工藝、采購、加工、裝配、測試等多個環節，并產生了大量與產品質量相關的數據。如何有效地對航空制造產品進行全生命周期質量信息管理，并在此基礎上能對產品質量有效追溯是航空制造業面臨的一個重大的挑戰。而激光打標可以高效地解決這一問題。航空制造業大國都采用DPM打刻二維碼，空客飛機發動機的制造商是英國著名的Rolls-Royce，也稱為羅爾斯·羅伊斯公司，他們出了一本書，要求飛機發動機145個零部件必須打刻二維碼。書的封面寫著：Creating parts with past零部件與時俱進打刻二維碼。Coded data is here to stay編碼的數據永遠停留在零部件上。

2.2 激光切割和打孔技術

激光切割的材料有鎳合金、鉻合金、鈦合金、氧化鈹、不銹鋼、鋁、塑料、鈦酸鉬材料等?？捎眉す饧庸さ牟课挥校何惨肀诎?、蜂窩夾層、骨架、蒙皮、翼梁、翼彬、主旋翼、發動機機匣等。切割時一般用連續輸出的激光器YAG和CO2激光器、高重頻脈沖激光器。航天航空設備的外殼采用特殊金屬材料制成，硬度高且耐高溫，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。采用三維激光設備進行燃燒器段的高溫合金材料的切割和打孔。在切割鈦合金的工件上，開裂和重熔層的研究也頗有成就。激光具有光斑小、密度高、速度快的優勢，使其能獲得較好的切割質量和高速，減少工具磨損。激光打孔是一項特定的加工技術，主要用于在固體材料上打孔。這兩項技術在航空領域中用于渦輪葉片的激光打孔以及航空發動機的激光切割等方面。實驗表明，用激光切割不銹鋼制的發動機艙隔板，能夠省材。用激光器切割硼/環氧樹脂制的F-15形狀復雜的尾翼壁板，下料可減少工時。普惠公司用座標釹玻璃激光器在鎳鈷合金渦輪葉片上加工直徑為0.5mm，深為3.1mm的冷卻孔，只用7s。

2.3 激光焊接技術

激光焊接技術實現了由傳導焊向深熔焊的轉變，在航空航天領域中的應用范圍逐漸擴大，在航空航天制造修理中也凸顯出了優勢。目前有先進的固體激光焊接、LASER-PAW∕MIG復合焊接技術、激光深熔焊、激光熱導焊應用于航空航天，如航空模盒、儀表殼體、波紋管、顯像管、各種熱敏元件，以及為零部件進行密封。激光焊接作為銑槽式再生冷卻噴管夾層結構焊接的首選，具有制造周期短、自動化程度高、環境要求低等優勢，可縮短火箭發動機噴管研制周期（壓縮至10h），降低噴管的制造成本。此外，還應用于薄壁結構焊接，典型的是鋁合金機身下壁板，以焊代鉚結構將最大化減輕機身重量近20%，省去加筋條用于與蒙皮連接的彎邊。激光焊接獨特優勢，能量密度高：焦斑直徑很小，功率密度很高，可達105～108W/cm，能焊接硬度高、易斷裂及高熔點、高強度的航空材料。熱影響區?。罕纫话闳酆附Y晶速度快幾十倍，輸入熱量可受控并降低到最低需要量，熱影響區很小，可對物理性差異較大的異種或同種金屬材料進行焊接。

2.4 激光清洗技術

采用激光清洗裝置對飛機零部件上的油漆進行清洗，在耗費電能低的情況下就能滿足清洗要求，具有環保效果，而且保證清洗后的飛機零部件仍然符合使用規定，能增快清洗效率。激光脫漆技術在航空航天業主要是應用在機體表面的處理、維修和保養飛機表面零部件設備時，要徹底除去表面的舊油漆，進而噴涂新油噴沙或鋼刷打磨等傳統方法清洗部件漆膜。目前在國際上，特別是歐洲國家，在飛機蒙皮激光脫漆方面開展了科研工作。激光清洗技術開啟了環保高效無殘留，能耗更低、不傷基材及功能更加完備的激光清洗模式。工藝的優點是，成本更低、不損傷機體、干凈、自動化。同傳統的溶劑脫漆技術和噴砂法相比，激光脫漆具有不會污染環境，且激光束易于控制的優勢，能剝離零部件不規則表面上的漆層。

2.5 工件表面精細化制造

航天器天線固面反射器、雷達部件頻率選擇器、石英半球諧振陀螺靜電（HRG）激勵罩、發動機陶瓷型芯、機匣等構件表面精細制造質量，決定了新型航天器、航空發動機等裝備性能。激光制造技術因其在非接觸式超快加工、加工應力以及精準尺度方面的優勢，成為復雜構件表面優化、精細化制造的唯一選擇。目前，國內極力發展構件表面的精細激光制造技術。針對航空航天復雜構件表面的精細制造難題，國內首創復雜構件表面的激光精細制造裝備，在傳統激光制造技術基礎上，融合發展光束傳輸掃描控制、智能檢測、圖像軟件處理、光機電協同控制、裝備精度保證等先進技術，開發天線反射器/HRG的圖案制造、陶瓷型芯/渦輪部件修理、機匣筒體刻型、渦輪部件標印等五類高端激光制造裝備。

2.6 激光熔覆技術

現代飛機制造中大量使用鈦合金、鋁合金，以及較新的Ti-6Al-4V合金。鈦合金耐腐蝕性低，而鋁合金強度不高，耐磨性也較差。激光熔覆技術是在材料基體表面以不同添料的方式放置涂層的一種工藝，從而顯著改善材料表面特性，使其更耐磨、抗腐蝕、抗氧化。主要流程為：基體材料表面預處理—預置熔覆材料—預熱—激光熔化—后熱處理。經過熔覆的鈦合金部件顯微硬度提高為800～3000HV，部件表面經過熔覆后，變得超耐磨、抗腐蝕、抗氧化。用一定的材料配比將鋁合金基材表面強化，解決了表面耐磨差，易塑變形的問題。該方法與鋁基體之間有冶金結合特點，結合強度高。熔覆層的厚度達1～3mm，熔覆層不但硬度高，而且耐磨性好，有很強的承載力。在鈦合金、鋁合金表面，進行陶瓷涂敷，利用大功率激光器將其熔化后快速凝固形成涂層，材料的性能可以得到最大提升。此外，激光熔覆材料后產生的熱障涂層有良好的隔熱效果，可滿足航空發動機渦輪葉片降低溫度、熱誘導應力以及基體材料服役穩定的要求。

2.7 復合材料零部件精密加工

AlliedSignal率先提出激光修理發動機葉片陶瓷型芯的方法，對陶瓷型芯的修邊、切割、修孔等，形成專利;美、法等國已將CMC材料成功應用于火箭、航發導向葉片、渦輪外環的制造，部件表面制造均采用超快激光修理技術。陶瓷型芯屬于影響航空葉片形貌的關鍵工藝部件，發達國家將其制造技術作為核心機密。隨著國防武器裝備輕量化趨勢，航空航天大量應用到復合材料，隨之而來的是復合材料精密加工需求，主要涉及樹脂基和陶瓷基復合材料，目前超快激光加工技術展現了應用潛力。

參考文獻

[1]陳翊坤，陸安進，付寧寧，等.基于激光清洗技術實現航空油濾維保的工藝研究[J].應用激光，2020，40（4）：649-656.

[2]李琳.激光焊在航空制造領域的應用現狀研究[J].焊接技術，2020，49（3）：1-4.

[3]李興，管迎春.淺述幾種典型激光加工技術在航空制造領域的應用現狀[J].航空制造技術，2019，62（Z2）：38-45，65.

[4]孫小峰，榮婷，黃潔，等.激光增材制造技術在航空制造領域的研究與應用進展[J].金屬加工（熱加工），2021（3）：7-14.

[5]淦家杭.美國海軍MRO中心測試飛機部件的激光清洗技術[J].航空維修與工程，2021（5）：18.[6]姬梅梅，朱時珍，馬壯.航空航天用金屬表面熱防護涂層的研究進展[J].表面技術，2021，50（1）：253-266.

作者簡介：楊景梅（1972—），女，碩士，高級工程師，研究方向為項目管理及技術改造。

3720500589263