现代激光技术在航空机械加工中的应用初探

王岩岩 周 博

（沈阳飞机工业(集团)有限公司，辽宁 沈阳110850）

1 航空机械加工的发展形势

航空制造领域是国家投入很多财力和物力的高科技领域，它所涉及的机械加工对精度有很大的要求，经过六十年的艰辛探索，航空制造领域已经形成了一个专业的技术领域，这些技术领域包括制造过程自动化技术、超精密加工技术，特种加工技术，成形技术、连接技术、表面改性技术、无损检测、表面安装技术、复合材料构件制造。这些领域都涉及到机械加工技术，机械加工需要保证加工出来后产品的质量，然而早期机械加工的产品精度低，强度不满足使用要求，机械加工起步缓慢，为了提高产品的精度和强度，技术人员引入了激光技术，激光技术由此随着机械加工而慢慢发展成熟，使得航空机械加工的精度和强度逐渐提高。

2 激光技术的特点及应用

2.1 激光切割技术特点及其应用

其特点是切割速度快，切面平整光滑，加工过程可以控制切割空隙的宽度，施工过程产生的有害气体较少，对人体的伤害较轻。但是激光切割过程中激光束的温度和二氧化碳温度经过透镜聚焦而升高，切割过程身体容易被飞溅的高温铁屑所烫伤，所以在使用激光切割技术时要做好自身防护，与正在切割的设备保持安全距离。

激光切割技术可以用于加工质量和精度要求很高的航空零部件。比如航空发动机，航空发动机的结构复杂，里面的零件数量众多，材质大不相同，大量采用钛合金、高温金、不锈钢以及其他的非金属特殊涂层，这些材料硬度高，耐高温，如果使用传统的加工方式，会使得加工得到的零部件很难满足使用要求，然而利用激光切割技术可以很好解决掉切割难题，切割效率高。

2.2 激光焊接技术特点及其应用

其特点是焊接牢固，焊缝小，焊接薄的板片时不会出现穿洞现象，可以将隔热材料、纤维材料和金属材料焊接在一起，激光焊接后的热影响区和变形区都很小，加热速度和冷却速度都很快，结晶速度比一般熔焊的快几十倍，热影响区小，材料变形小无无需后期工序处理。目前激光切割技术广泛与工业机器人结合，焊接过程自动化，智能化。随着高功率激光器的不断发展，焊接技术由之前的传导焊转变为深熔焊，由此扩大了加工范围。激光焊接技术可以应用在飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长桁的焊接，腹鳍和襟翼的翼盒；在发动机制造方面，航空发动机薄壁高精度构件的焊接广泛采用激光焊接技术。激光焊接提高了焊接效率，简化了加工工艺，提高了强度。铝合金内隔板采用激光焊接表示激光焊接技术取代原先的铆接技术，用铝合金作为机身的制造材料可以减轻机身的重量，如德国的宇航公司、空中客车公司都应用了此项技术。

2.3 激光打孔技术特点及其应用

其特点是打孔速度快，无需使用钻头加工，减少了钻头的消耗，对加工的材料没有太多的局限性，金属材料和非金属材料都可以用激光进行打孔，在加工的准备工作中不需要对工件使用夹具夹持就能完成打孔操作。航空机械加工需要在板材上打很多细小的孔，这些细小的孔可以采用激光进行打孔，形成的孔质量好，而且打孔速度快。

2.4 激光熔覆技术特点及其应用

其特点是熔覆快，能将工件表面的锈斑快速的覆盖在原有的材料表面，不需要清除锈斑就能完成加工，常常使用这项技术修复腐蚀的工件表面，提高使用寿命。目前飞机的使用材料是钛合金和铝合金，钛合金具有高强度，耐腐蚀性，耐高温性，重量轻的优点，同时具有低硬度，不耐磨等缺点，当钛合金表面的氧化膜破坏时，其耐腐蚀性就会大大降低；铝合金质量轻，但是硬度低，耐磨性差。当使用激光熔覆技术对钛合金表面和铝合金表面进行处理时，表面的硬度会变大，耐磨性会增强，此时熔覆层的厚度在3mm 左右，承载能力强。当钛合金和铝合金表面熔覆高性能的陶瓷涂层时，材料的耐磨性、耐高温性可以大幅度的提高。

2.5 激光回馈技术特点及其应用

激光回馈效应是指将激光发射器发射的激光经过被测物体表面反射回到发射器并对反射器输出光强、偏振态和相位进行调制的一种现象，其特点是高灵敏度和高精度，航空设备中的零件都是高精度的零件，需要对其进行精确测量来定位加工，而以往的测量方式都是有一定的误差，而使用激光回馈技术可以精确工件上孔的位置、直径，、工件整体长度、螺纹的外径和内径，为精确加工打好基础。

此项技术对机械精密加工校准有一定的指导意义。航空设备中的零部件依赖于高精密加工，这些零部件的特点是高性能，轻量化，精密化，高效化，可靠性和精密性。虽然是高性能零部件，但是这些零部件的加工技术仍不完备；为了减少航天飞行器的质量，需要使用质量更轻的的零件，这些零件都是薄壁结构，需要进一步加工才能满足使用要求，这些高精度的航空零件都是用数控机床加工出来的，数控机床是从事精密加工的一个重要设备，数控机床的精度反映了一个国家机械加工的水平，从它的出现开始，数控机床的加工误差被很多研究学者所研究，经过这些年的艰苦探索，机床加工的精度等级逐渐提高，加工方式更加智能化的数控机床陆续投入使用，但是，在机床校准和检定方面仍需继续努力完善，目前大多数数控机床采用的是双频激光干涉仪进行机床校准。双频干涉仪的缺陷是氦氖激光器输出功率低，耗能大，可使用时间短，工作时需要目标靶镜的配合，为了解决这些缺点，开始研究具有准共路补偿的激光回馈干涉仪。

激光回馈干涉仪中增加了参考镜，参考镜将从激光器中发出的一部分光线散射回到激光器，作为参考回馈光，另一部分光线被被测物体散射返回到激光器，作为测量回馈光，两种散射回去的光线共路，移频不同，导致对激光光强的调制频率不同。为了得到参考回馈光和测量回馈光的相位变化，需要解调不同频率信号的相位变化来推断。前者的相位变化来源于空气的扰动、移频器件热效应、激光波长等因素；后者的相位变化来源于空气的扰动、移频器件热效应、激光波长、被测物体的运动等因素。两者排除共有的影响因素之后，就在一定程度上减小了死程误差。实现了对微元件、轻元件、薄元件、透元件表面的位移、形变、伸缩等参数的精确测量。

金刚石车床中引入激光回馈技术大大提高了校准精度，当机床中未放置激光回馈干涉仪时，由于在校准过程中需要改变反光镜的位置，所以在测量过程中会出现余弦误差，导致定位精度下降，激光回馈干涉仪的使用将定位精度提高到700nm，此时的定位精度远远大于之前的定位精度，为后续的精确加工打好了基础。

3 结论

现代激光技术在航空机械加工中快速发展，衍生出了很多技术，如激光切割技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光熔覆技术、激光回馈技术。激光切割技术使得切割出来的部件表面光滑，不结渣，缝隙可控，常适用于切割硬度较大，耐高温的钛合金材料；激光焊接技术可以将不同材料的部件焊接到一起，焊接接口美观结实，适用于焊接飞机外壳和发动机内部薄壁构件；激光打孔技术使得加工孔的位置更加精确，加工速度更快；激光熔覆技术可以更好的修复合金腐蚀表面，提高合金表面的耐磨性和耐高温性；激光回馈技术可以更加精确的测量部件的尺寸和校准数控机床的加工精度。

现代激光技术的应用是航空机械生产中应用的一项主要加工技术，因此如何更好的发挥激光加工技术，进而提高我国航空机械生产质量与技术水平，就成为了技术研究的重要组成部分，这一研究的开展一方面有助于我国航空机械生产水平的整体提高；另一方面也对我国现代激光技术的应用发展起到了推动作用，进而为我国航空机械生产技术发展提供技术理论支持。