激光技术在航空制造中的技术改造

摘要：激光技术是一种高效易控、无接触式的新型加工方式。在航空制造领域中，激光技术的应用主要包括打标、焊接、切割、打孔、熔覆以及航空零部件的精密加工。我国早已成为航天大国，神舟系列的载人航天、嫦娥系列的探月考察、天宫系列空间实验室、北斗卫星导航系统取得的成就举世瞩目。现代化航天航空产业，需要先进的激光制造技术跟进。本文在对航空制造中的激光技术应用研究的基础上，阐述了目前技术改造的趋势。

关键词：激光技术 航空制造 技术改造 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，改变工件指定位置的性能，通过相应的控制手段将其按照加工轨迹照射到加工面上实现的。在激光加工发展进程中，首先是纳秒激光的应用阶段，通过纳秒级的激光脉冲能瞬间超过材料破坏阈值，从而达到融化和蒸发的加工效果。实际加工中，此阶段应用在加工材料表面会有熔融效应，产生重铸层和微裂纹，在对材料要求极其严格的航空制造中无法大量应用。目前是超快激光的应用阶段。近年来，随着固体材料的迅速发展，皮秒脉冲的激光技术很快应用于工业中，通俗称为超快激光，它产生的超短脉冲与材料作用时间极短，能避免对分子热运动的影响，因此也被称为冷加工。它具有更短的脉冲宽度和更高的峰值功率，能够实现精细加工，最重要的是不会产生微裂纹和重铸层，没有热效应，满足航空制造业的绝大部分应用要求。

技术改造是采用新技术、新工艺、新设备、新材料对现有设施、工艺条件及制作环节进行提升，打破传统加工方法的束缚，淘汰落后产能，实现高效式发展的改造活动。实践证明，用先进实用的激光技术改造传统航空制造产业，不仅具有工期短、见效显著的特点，而且能有效避免材料利用率低、模具准备时间长、机械加工量大等弱点，从而提高企业效益。激光是推动航空航天制造业向低成本、高性能、长寿命、轻量化方向发展的不可或缺的关键技术。唯有自主创新，专注研发，掌握自主知识产权，才能在国际竞争中把握命运。我国激光表面精细制造技术也落后于部分发达国家， 需要大幅度提高新型难加工材料部件上的激光加工能力水平，提升我国航空航天制造业的竞争力。

1 激光加工技术的优点

激光控制方便并且稳定，很容易同精密机械与电子技术相集成，从而实现高精度的自动化控制。激光加工属于无接触式加工，可以避免工件划伤，不会造成接触式污染，实现无人加工、对运动工件加工或内曲面工件加工等。激光功率可控性高，既可以实现精密微细加工，又可以加工大型材料。激光加工强度大，即使熔点高、硬度大的材料也基本可以适用。激光加工更加易于做现场数据管理，因为其永久标识和DPM功能，可高效地实现数据下发、采集、管理。

具体可概括为以下几点。（1）不用模具：零件更改时，只需改变程序，缩短生产准备周期，又能适应零件批量少、品种多、变更大的新产品试制要求。（2）不用划线：加工精度和重复精度高，可切复杂曲线外形，切割速度快，达2～4m/min，工作效率提高8～20倍。（3）切缝窄：0.1～0.2mm，还可以套裁，可节省材料20%～25%。（4）节省夹具：切割时不需要刚性夹紧，工件不受力，可切蜂窝结构及薄板易变形零件，可实现自动加工。（5）激光加工易于操作，节能环保，能提升产品质量和生产效率。（6）稳定性强、渗透性强可满足工业大批量生产加工需求。

2 航空生产中的激光应用及技术改造

2.1激光打标技术

航空制造的特点是技术含量高、新型难加工复合材料结构复杂、零件数量多、加工难度大和生产加工时间长。产品要经过设计、工艺、采购、加工、装配、测试等多个环节，并产生了大量与产品质量相关的数据。如何有效地对航空制造产品进行全生命周期质量信息管理，并在此基础上能对产品质量有效追溯是航空制造业面临的一个重大的挑战。而激光打标可以高效地解决这一问题。航空制造业大国都采用DPM打刻二维码，空客飞机发动机的制造商是英国著名的Rolls-Royce，也称为罗尔斯·罗伊斯公司，他们出了一本书，要求飞机发动机145个零部件必须打刻二维码。书的封面写着：Creating parts with past零部件与时俱进打刻二维码。Coded data is here to stay編码的数据永远停留在零部件上。

2.2 激光切割和打孔技术

激光切割的材料有镍合金、铬合金、钛合金、氧化铍、不锈钢、铝、塑料、钛酸钼材料等。可用激光加工的部位有：尾翼壁板、蜂窝夹层、骨架、蒙皮、翼梁、翼彬、主旋翼、发动机机匣等。切割时一般用连续输出的激光器YAG和CO2激光器、高重频脉冲激光器。航天航空设备的外壳采用特殊金属材料制成，硬度高且耐高温，可用激光切割加工飞机蒙皮蜂窝结构、框架翼彬、尾翼避板直升机主旋翼发动机机匣和火焰筒等。采用三维激光设备进行燃烧器段的高温合金材料的切割和打孔。在切割钛合金的工件上，开裂和重熔层的研究也颇有成就。激光具有光斑小、密度高、速度快的优势，使其能获得较好的切割质量和高速，减少工具磨损。激光打孔是一项特定的加工技术，主要用于在固体材料上打孔。这两项技术在航空领域中用于涡轮叶片的激光打孔以及航空发动机的激光切割等方面。实验表明，用激光切割不锈钢制的发动机舱隔板，能够省材。用激光器切割硼/环氧树脂制的F-15形状复杂的尾翼壁板，下料可减少工时。普惠公司用座标钕玻璃激光器在镍钴合金涡轮叶片上加工直径为0.5mm，深为3.1mm的冷却孔，只用7s。

2.3 激光焊接技术

激光焊接技术实现了由传导焊向深熔焊的转变，在航空航天领域中的应用范围逐渐扩大，在航空航天制造修理中也凸显出了优势。目前有先进的固体激光焊接、LASER-PAW∕MIG复合焊接技术、激光深熔焊、激光热导焊应用于航空航天，如航空模盒、仪表壳体、波纹管、显像管、各种热敏元件，以及为零部件进行密封。激光焊接作为铣槽式再生冷却喷管夹层结构焊接的首选，具有制造周期短、自动化程度高、环境要求低等优势，可缩短火箭发动机喷管研制周期（压缩至10h），降低喷管的制造成本。此外，还应用于薄壁结构焊接，典型的是铝合金机身下壁板，以焊代铆结构将最大化减轻机身重量近20%，省去加筋条用于与蒙皮连接的弯边。激光焊接独特优势，能量密度高：焦斑直径很小，功率密度很高，可达105～108W/cm，能焊接硬度高、易断裂及高熔点、高强度的航空材料。热影响区小：比一般熔焊结晶速度快几十倍，输入热量可受控并降低到最低需要量，热影响区很小，可对物理性差异较大的异种或同种金属材料进行焊接。

2.4 激光清洗技术

采用激光清洗装置对飞机零部件上的油漆进行清洗，在耗费电能低的情况下就能满足清洗要求，具有环保效果，而且保证清洗后的飞机零部件仍然符合使用规定，能增快清洗效率。激光脱漆技术在航空航天业主要是应用在机体表面的处理、维修和保养飞机表面零部件设备时，要彻底除去表面的旧油漆，进而喷涂新油喷沙或钢刷打磨等传统方法清洗部件漆膜。目前在国际上，特别是欧洲国家，在飞机蒙皮激光脱漆方面开展了科研工作。激光清洗技术开启了环保高效无残留，能耗更低、不伤基材及功能更加完备的激光清洗模式。工艺的优点是，成本更低、不损伤机体、干净、自动化。同传统的溶剂脱漆技术和喷砂法相比，激光脱漆具有不会污染环境，且激光束易于控制的优势，能剥离零部件不规则表面上的漆层。

2.5 工件表面精细化制造

航天器天线固面反射器、雷达部件频率选择器、石英半球谐振陀螺静电（HRG）激励罩、发动机陶瓷型芯、机匣等构件表面精细制造质量，决定了新型航天器、航空发动机等装备性能。激光制造技术因其在非接触式超快加工、加工应力以及精准尺度方面的优势，成为复杂构件表面优化、精细化制造的唯一选择。目前，国内极力发展构件表面的精细激光制造技术。针对航空航天复杂构件表面的精细制造难题，国内首创复杂构件表面的激光精细制造装备，在传统激光制造技术基础上，融合发展光束传输扫描控制、智能检测、图像软件处理、光机电协同控制、装备精度保证等先进技术，开发天线反射器/HRG的图案制造、陶瓷型芯/涡轮部件修理、机匣筒体刻型、涡轮部件标印等五类高端激光制造装备。

2.6 激光熔覆技术

现代飞机制造中大量使用钛合金、铝合金，以及较新的Ti-6Al-4V合金。钛合金耐腐蚀性低，而铝合金强度不高，耐磨性也较差。激光熔覆技术是在材料基体表面以不同添料的方式放置涂层的一种工艺，从而显著改善材料表面特性，使其更耐磨、抗腐蚀、抗氧化。主要流程为：基体材料表面预处理—预置熔覆材料—预热—激光熔化—后热处理。经过熔覆的钛合金部件显微硬度提高为800～3000HV，部件表面经过熔覆后，变得超耐磨、抗腐蚀、抗氧化。用一定的材料配比将铝合金基材表面强化，解决了表面耐磨差，易塑变形的问题。该方法与铝基体之间有冶金结合特点，结合强度高。熔覆层的厚度达1～3mm，熔覆层不但硬度高，而且耐磨性好，有很强的承载力。在钛合金、铝合金表面，进行陶瓷涂敷，利用大功率激光器将其熔化后快速凝固形成涂层，材料的性能可以得到最大提升。此外，激光熔覆材料后产生的热障涂层有良好的隔熱效果，可满足航空发动机涡轮叶片降低温度、热诱导应力以及基体材料服役稳定的要求。

2.7 复合材料零部件精密加工

AlliedSignal率先提出激光修理发动机叶片陶瓷型芯的方法，对陶瓷型芯的修边、切割、修孔等，形成专利;美、法等国已将CMC材料成功应用于火箭、航发导向叶片、涡轮外环的制造，部件表面制造均采用超快激光修理技术。陶瓷型芯属于影响航空叶片形貌的关键工艺部件，发达国家将其制造技术作为核心机密。随着国防武器装备轻量化趋势，航空航天大量应用到复合材料，随之而来的是复合材料精密加工需求，主要涉及树脂基和陶瓷基复合材料，目前超快激光加工技术展现了应用潜力。

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作者简介：杨景梅（1972—），女，硕士，高级工程师，研究方向为项目管理及技术改造。

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