7月，中國首款具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)國產(chǎn)大飛機(jī)C919在廣西正進(jìn)行常態(tài)化試飛，中國空間站重要組成部分問天實(shí)驗(yàn)艙將搭載長征五號B遙三火箭發(fā)射升空……航空航天領(lǐng)域果實(shí)累累。交匯點(diǎn)記者了解到，飛機(jī)和火箭的成功研發(fā)，位于江蘇的南京先進(jìn)激光技術(shù)研究院（簡稱“南京激光院”）自主研發(fā)的精準(zhǔn)激光焊接技術(shù)功不可沒。
“我們主導(dǎo)研究的‘航空航天輕合金大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)激光焊接技術(shù)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(fù)雜結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)激光焊接技術(shù)與裝備”項目經(jīng)理唐一峰介紹，目前研發(fā)成果“雙光束雙側(cè)同步焊接技術(shù)”成功應(yīng)用于C919大型客機(jī)機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)、長征五號重型運(yùn)載火箭框桁式貯箱結(jié)構(gòu)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(xiàn)。
“質(zhì)量輕”“強(qiáng)度高”，專家解析飛行器結(jié)構(gòu)
C919大型客機(jī)的機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)是什么？長征五號重型運(yùn)載火箭的框桁式貯箱結(jié)構(gòu)又是什么？為什么C919大型客機(jī)和長征五號火箭在制造過程中需要利用精準(zhǔn)激光技術(shù)？記者咨詢了南京激光院的專家。
“C919大型客機(jī)的機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)常被稱作‘骨架蒙皮結(jié)構(gòu)’，或‘蒙皮-桁條T型結(jié)構(gòu)’。”唐一峰告訴記者，簡單來講，就是機(jī)身壁板內(nèi)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?qū)崿F(xiàn)機(jī)身結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)，又能夠保證機(jī)身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。”他解釋。
長征五號重型運(yùn)載火箭由于擁有壯碩的身軀，被稱為“胖五”，起飛重量達(dá)878噸。而火箭貯箱猶如一個“大肚子”，占火箭結(jié)構(gòu)重量60%以上，裝載為火箭提供助力的推進(jìn)劑。“‘貯箱’指的就是火箭中部的那個‘筒’。框桁式的貯箱結(jié)構(gòu)由外而內(nèi)分別由蒙皮、桁條和環(huán)形的框組成。”唐一峰說，蒙皮用于承擔(dān)內(nèi)部液體燃料的壓力，桁條用于承擔(dān)“筒體”的軸向載荷，從而提高整體結(jié)構(gòu)的承載效率，并降低貯箱自身重量。
“航空航天領(lǐng)域飛行器制造材料的關(guān)鍵要求是質(zhì)量輕、強(qiáng)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(fù)合材料等輕質(zhì)材料，而雙光束雙側(cè)同步焊接技術(shù)能夠迎合這類輕質(zhì)材料的焊接需求。“光是制造材料滿足服役強(qiáng)度還不夠，還要盡量減少材料的使用。”他補(bǔ)充，“無論是客機(jī)的機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)還是運(yùn)載火箭的貯箱結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時都會注意這一點(diǎn)。”
雙光束焊接實(shí)現(xiàn)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(xiàn)氣孔和裂紋，焊接后應(yīng)力大、變形難以控制。“所以飛機(jī)機(jī)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(cè)同步焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了桁條與蒙皮T字型接頭的雙側(cè)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(qiáng)度。”唐一峰介紹，相比于航空航天大型復(fù)雜壁板艙體制造通常采用的傳統(tǒng)鉚接工藝，雙光束雙側(cè)同步焊接技術(shù)能夠減少壁板5%的結(jié)構(gòu)重量，降低15%的制造成本，并具有氣密性好、疲勞性能高、生產(chǎn)效率高、容易實(shí)現(xiàn)自動化、柔性化等優(yōu)點(diǎn)。
“T型接頭是空間三維復(fù)雜的曲線結(jié)構(gòu)。為了滿足這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接需求，提高精密度與效率，我們自主開發(fā)了離線編程軟件，在電腦上模擬機(jī)器人的焊接過程，并優(yōu)化整個激光焊接工作。”唐一峰回憶，正是因?yàn)檠芯咳藛T不斷提問、不斷改進(jìn)、一步一個腳印，才取得了航空航天領(lǐng)域精準(zhǔn)激光焊接技術(shù)的重大突破。“我們攻克了大型龍門的焊接設(shè)備雙機(jī)器人無差別同步協(xié)調(diào)控制和雙側(cè)激光束能量平均分配等難題，最終實(shí)現(xiàn)了桁條T型接頭的雙光束雙側(cè)同步焊接。”這項技術(shù)還獲得了2021年江蘇省科學(xué)技術(shù)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(tǒng)的加工方式，雙光束雙側(cè)同步焊接技術(shù)有兩個重要特點(diǎn)：節(jié)約材料和提高強(qiáng)度。”唐一峰強(qiáng)調(diào)，“這表示雙光束雙側(cè)同步焊接技術(shù)在飛行器制造方面有很大潛力。”他補(bǔ)充，除了應(yīng)用于飛行器制造領(lǐng)域，激光焊接技術(shù)還可以應(yīng)用于化工領(lǐng)域。“許多化學(xué)容器會有T字型結(jié)構(gòu)，利用雙側(cè)同步焊接技術(shù)就可以提高容器質(zhì)量。”
“我們使用大型龍門裝載了兩臺可以實(shí)現(xiàn)同步協(xié)同控制的機(jī)器人，這一裝備技術(shù)推動了智能制造領(lǐng)域的發(fā)展；此外，雙光束雙側(cè)同步焊接技術(shù)為鋼鐵冶金的材料制備方面也提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。”唐一峰表示，精準(zhǔn)激光焊接技術(shù)與裝備技術(shù)的突破將進(jìn)一步推動江蘇航空航天、智能制造、鋼鐵冶金等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為江蘇高端智能裝備的發(fā)展探索出一條新的路徑。
據(jù)了解，在航空航天領(lǐng)域，南京激光院的科研人員將瞄準(zhǔn)輕型合金材質(zhì)的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)間激光焊接的重大機(jī)理以及技術(shù)裝備，進(jìn)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(xù)推動飛行器制造的減重效果與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。”唐一峰期望。
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