7月，中國首款具有完全自主知識產權國產大飛機C919在廣西正進行常態化試飛，中國空間站重要組成部分問天實驗艙將搭載長征五號B遙三火箭發射升空……航空航天領域果實累累。交匯點記者了解到，飛機和火箭的成功研發，位于江蘇的南京先進激光技術研究院（簡稱“南京激光院”）自主研發的精準激光焊接技術功不可沒。
“我們主導研究的‘航空航天輕合金大型復雜結構精準激光焊接技術與裝備’項目取得了重大突破！”南京激光院“航空航天輕合金大型復雜結構精準激光焊接技術與裝備”項目經理唐一峰介紹，目前研發成果“雙光束雙側同步焊接技術”成功應用于C919大型客機機身壁板結構、長征五號重型運載火箭框桁式貯箱結構等，為我國航空航天制造水平與全球競爭力的提升做出了重要貢獻。
“質量輕”“強度高”，專家解析飛行器結構
C919大型客機的機身壁板結構是什么？長征五號重型運載火箭的框桁式貯箱結構又是什么？為什么C919大型客機和長征五號火箭在制造過程中需要利用精準激光技術？記者咨詢了南京激光院的專家。
“C919大型客機的機身壁板結構常被稱作‘骨架蒙皮結構’，或‘蒙皮-桁條T型結構’。”唐一峰告訴記者，簡單來講，就是機身壁板內部有長桁條作為骨架支撐連接，外部蒙上一層金屬板，形成一個共同作用體系。“這樣既能夠實現機身結構的輕質，又能夠保證機身結構的強度。”他解釋。
長征五號重型運載火箭由于擁有壯碩的身軀，被稱為“胖五”，起飛重量達878噸。而火箭貯箱猶如一個“大肚子”，占火箭結構重量60%以上，裝載為火箭提供助力的推進劑。“‘貯箱’指的就是火箭中部的那個‘筒’。框桁式的貯箱結構由外而內分別由蒙皮、桁條和環形的框組成。”唐一峰說，蒙皮用于承擔內部液體燃料的壓力，桁條用于承擔“筒體”的軸向載荷，從而提高整體結構的承載效率，并降低貯箱自身重量。
“航空航天領域飛行器制造材料的關鍵要求是質量輕、強度高。”唐一峰介紹，制造飛行器的材料一般是鋁合金、鎂合金、鈦合金以及復合材料等輕質材料，而雙光束雙側同步焊接技術能夠迎合這類輕質材料的焊接需求。“光是制造材料滿足服役強度還不夠，還要盡量減少材料的使用。”他補充，“無論是客機的機身壁板結構還是運載火箭的貯箱結構，在結構設計時都會注意這一點。”
雙光束焊接實現省成本、減“體重”
“激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，對零件的裝配精度要求較高。”唐一峰表示，鋁合金、鎂合金等輕合金屬于激光焊接的高反材料，焊接過程中容易出現氣孔和裂紋，焊接后應力大、變形難以控制。“所以飛機機身壁板和火箭框桁式貯箱的焊接難度極高。”
“我們通過雙光束雙側同步焊接技術實現了桁條與蒙皮T字型接頭的雙側同步焊接。這樣既改善了長焊縫的焊接接頭變形問題，又提高了它的強度。”唐一峰介紹，相比于航空航天大型復雜壁板艙體制造通常采用的傳統鉚接工藝，雙光束雙側同步焊接技術能夠減少壁板5%的結構重量，降低15%的制造成本，并具有氣密性好、疲勞性能高、生產效率高、容易實現自動化、柔性化等優點。
“T型接頭是空間三維復雜的曲線結構。為了滿足這種復雜結構的焊接需求，提高精密度與效率，我們自主開發了離線編程軟件，在電腦上模擬機器人的焊接過程，并優化整個激光焊接工作。”唐一峰回憶，正是因為研究人員不斷提問、不斷改進、一步一個腳印，才取得了航空航天領域精準激光焊接技術的重大突破。“我們攻克了大型龍門的焊接設備雙機器人無差別同步協調控制和雙側激光束能量平均分配等難題，最終實現了桁條T型接頭的雙光束雙側同步焊接。”這項技術還獲得了2021年江蘇省科學技術獎一等獎。
前景廣闊，推動智能制造、鋼鐵冶金
“相比于以往傳統的加工方式，雙光束雙側同步焊接技術有兩個重要特點：節約材料和提高強度。”唐一峰強調，“這表示雙光束雙側同步焊接技術在飛行器制造方面有很大潛力。”他補充，除了應用于飛行器制造領域，激光焊接技術還可以應用于化工領域。“許多化學容器會有T字型結構，利用雙側同步焊接技術就可以提高容器質量。”
“我們使用大型龍門裝載了兩臺可以實現同步協同控制的機器人，這一裝備技術推動了智能制造領域的發展；此外，雙光束雙側同步焊接技術為鋼鐵冶金的材料制備方面也提供了寶貴經驗。”唐一峰表示，精準激光焊接技術與裝備技術的突破將進一步推動江蘇航空航天、智能制造、鋼鐵冶金等產業的發展，為江蘇高端智能裝備的發展探索出一條新的路徑。
據了解，在航空航天領域，南京激光院的科研人員將瞄準輕型合金材質的大型復雜結構間激光焊接的重大機理以及技術裝備，進一步圍繞飛行器的輕重量、高性能、長使用壽命、高可靠性等重大需求開展研究。“我們希望能夠繼續推動飛行器制造的減重效果與結構強度。”唐一峰期望。
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