在航空制造领域的应用

    激光制造是继力加工、火焰加工和电加工之后一种崭新的加工技术。它可以完善周到的解决不同材料的加工、成型和精炼等技术问题。从最小结构的计算机芯片到超大型飞机和舰船，激光制造都将是不可或缺的重要手段。自上世纪70年代大功率激光器件诞生以来，已形成了激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面处理、激光合金化、激光熔覆、激光快速原型制造、金属零件激光直接成形、激光刻槽、激光标记、激光掺杂等十几种应用工艺，与传统的加工方法相比，具有高能密聚焦、易于操作、高柔性、高效率、高质量、节能环保等突出优点，迅速在汽车、电子、航空航天、机械、冶金、铁路、船舶等工业部门广泛应用，几乎包括了国民经济的所有领域，被誉为“制造系统共同的加工手段”。 

    我国是一个制造大国，现代激光制造技术的研究、开发、应用及产业化对国民经济发展具有现实的重要意义。但是我国总体技术水平落后，可以说只是一个组装业，核心技术几乎全部掌握在别人手中。我们要成为世界制造大国，不能光依赖人力资源优势，先进的制造技术才是我国能否成为世界制造业中心和制造强国的关键。发达国家的实践已经证明，激光制造技术在改造和提升传统产业和发展高新技术产业上都起着前沿开拓者的作用。现代激光制造技术在21世纪经济可持续发展中占有重要地位，将对我国航空领域的发展产生深刻影响。 

    1. 激光焊接技术在航空领域中的应用 

    激光焊接技术也指激光连接技术。在20世纪70年代之前，由于没有高功率连续激光器件，研究的重点是脉冲激光焊接，应用于小型精密零件的点焊，或者由单个焊点搭接而成的缝焊。1971~1972年，随着数千瓦CO2激光焊接试验的报道，情况发生了根本性的变化。几毫米厚钢板能够一次性完全焊透，所得焊缝与电子束焊接相似，显示出了高功率激光焊接的巨大潜力。 

    随着激光制造技术的发展，桥梁、船舶等结构都由传统的铆接工艺发展到采用激光焊接技术，但先进的激光焊接技术难以在飞机制造中开展广泛的应用。长久以来，飞机结构件之间的连接一直采用落后的铆接工艺，主要原因是飞机结构采用的铝合金材料是热处理强化铝合金（即高强铝合金），一经熔焊后，热处理强化效果就会丧失，而且晶间裂纹难以避免。因此，普通氩弧焊等熔焊方法在飞机制造中的应用成为禁区。另一方面，在80年代初，铝及其合金的激光加工十分困难，被认为是不可能的。主要是由于铝合金存在对10.6mm波长激光的高反射和自身的高导热性。在当时，激光加工主要使用波长为10.6mm的CO2激光器，而铝对CO2激光的反射率高达97%，通常作为反射镜使用。但是，激光加工的优越性又极大地吸引着从事激光材料加工的科研工作者。他们为此付出了大量的时间和精力来研究铝合金激光加工的可能性。 

    目前，高强铝合金激光焊接成果已经成功应用于欧洲空中客车公司飞机制造中，其铝合金内隔板均采用激光加工，实现了激光焊接取代传统铆接工艺。激光焊接技术的采用，大大地简化了飞机机身的制造工艺，使机身重量减轻18%，成本下降21.4%~24.3%，被认为是飞机制造业的一次技术大革命。空客A380的制造就采用了激光焊接技术，极大地减轻了飞机自重，增加了载客量。德国政府2006年公布的科技发展计划中将激光焊接技术列为航空工业两大尖端发展技术之一。 

    2. 激光分离技术在航空领域中的应用 

    激光分离技术主要指激光切割技术和激光打孔技术。激光分离技术是将能量聚焦到微小的空间，可获得105~1015W/cm2极高的辐照功率密度，利用这一高密度的能量进行非接触、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下，几乎可以对任何材料实现激光切割和打孔。激光切割技术是一种摆脱传统的机械切割、热处理切割之类的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更灵活的切割方法和更高的生产效率等特点。激光打孔方法作为在固体材料上加工孔方法之一，已成为一项拥有特定应用的加工技术，主要运用在航空、航天与微电子行业中。 

    激光切割技术在航空领域中主要用于航空发动机、涡轮叶片的激光打孔，航空发动机的激光切割等方面。 

    3. 激光表面技术在航空领域中的应用 

    采用l03 W/cm2以上功率密度的激光高能束流集中作用在金属表面，通过表面扫描或伴随有附加填充材料的加热，使金属表面由于加热、熔化、汽化而产生冶金的、物理的、化学的或相结构的转变，达到了金属表面改性的目的，这种加工技术称为激光表面（处理）技术。 

    激光熔覆是一种重要的材料表面改性技术，亦被称为激光镀覆或激光表面硬化。它是以高能密度的激光为热源在基材表面熔覆一层熔覆材料，使之与基材实现冶金结合，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的表面改性方法。近年来激光熔覆修复技术逐渐发展成为一种新型的先进制造技术。该技术集快速原型制造技术及激光熔覆表面改性技术于一体，可实现三维金属零件的修复而无需工模具。 

    激光熔覆的第一项工业应用是Rolls Royce 公司1981年对RB211涡轮发动机壳体结合部件进行硬面熔覆。表1所示为激光熔覆工业应用实例。 

    表1 激光熔覆工业应用实例  

    熔覆部件

    熔覆合金／粉末或方式

    涡轮机叶片／壳体结合部件

    钴基合金／送粉熔覆

    涡轮机叶片

    PWA694, Nimonic／预置粉末

    海洋钻井和生产部件

    Stellite／Colmonoy 合金和碳化物等

    阀体部件

    送粉熔覆

    阀杆，阀座

    铸铁/Cr, C, Co, Ni, Mo预置粉末

    涡轮机叶片

    Stellite/Colmonoy 合金预置粉末和重力送粉熔覆

    在航空领域，航空发动机的备件价格很高，因而在很多情况下维修零件是比较划算的。但是修复后零件的质量必须满足安全要求。例如，飞机螺旋桨叶片表面上出现损伤时，必须通过一些表面处理技术进行修复。除了考虑螺旋桨叶片所要求的高强度、高耐疲劳性，还必须考虑表面修复后的耐腐蚀性。选择一种合适的表面处理技术对螺旋桨叶片进行修复，对节省装备维护费用，提高装备使用寿命具有很重要的意义。激光熔覆技术可以很好的用于发动机叶片激光三维表面熔覆修复。 

    目前工业领域逐渐呈现出轻型、环保和循环发展的趋势，我国今年积极启动了自己的大飞机计划项目，激光制造技术在国防和航空航天领域的产业化应用前景远大。另外，在激光制造系统也向着小型化、高转换效率与集成化方向发展，我国激光制造技术将继续发挥效率高、能耗低、流程短、性能好、数字化、智能化的优势，改变我国航空航天领域的关键器件和技术主要依赖进口的现状，最终形成我国新一代激光制造产业链。