摘要:本文以激光連接、成形、分離、表面等技術為例概要介紹了激光材料加工技術的研究現狀、技術難點以及目前在航空航天領域的應用,最后指出了激光材料加工技術的未來發展趨勢。
前言
自1960年梅曼發明了第一臺紅寶石激光后，不同類型的激光發生器不斷涌現，早在1963年就出現關于激光技術應用的報道，激光焊接、切割、熔覆、合金化、制孔、標刻等激光加工工藝在制造業的應用層出不窮，這些工藝與大規模生產相結合為現代制造增添了活力，增加了內容，同時也為激光技術提出了更高的要求，從而促進了激光技術的高速發展。
20世紀80年代高光束質量大功率CO2激光器出現，促進了激光焊接技術在白車身制造中的應用；隨后激光焊接技術在船舶制造和A380等飛機機身制造中得到應用。激光技術在面向生產制造的高功率領域長足發展的同時，也向超短、超快方向發展而拓寬了激光技術的應用范圍，通訊、信息、醫療、測量等領域的激光應用在逐步擴大。其中激光在制造領域的應用占整個激光技術應用的30%左右，而且這個比例在不斷擴大。德國、日本以及西方發達國家的在激光在制造領域的應用占據著制高點。
目 前我國是一個制造大國，如何完成由制造大國向制造強國的轉變是一個長期而艱巨的任務。激光材料加工技術作為新型、綠色、低碳型技術在未來制造領域的地位是 不言而喻的，進行激光與物質相互作用的研究、探究其中的物理現象、擴展激光應用的基礎研究，促進激光材料加工技術在工業、國防、航空航天、醫療等領域的應 用意義重大。
激光連接技術在航空航天領域的應用
目 前激光連接技術在工業領域的應用份額僅次于表面加工和激光切割。傳統的飛機制造中連接技術主要采用鉚接工藝，因為飛機結構中的鋁合金是熱處理強化鋁合金， 經熔焊后，焊縫區以及熱影響區的熱處理強化效果就會喪失，晶間裂紋難以避免。因此傳統熔焊方法一度成為飛機制造的禁區。另外，由于鋁合金對激光具有較高的 反射性，輻照在鋁合金表面的CO2激光功率的97%被反射掉；而且鋁合金特殊的物理特性如較高的導熱性、較高的熱膨脹系數、熔化時黏性較低等特性決定了焊接過程的不穩定性以及焊縫缺陷形成的傾向。直到90年代高光束質量、高功率激光器的出現鋁合金的深熔焊接才成為可能。經過人們的不懈努力，這一技術終于在21世紀之初在飛機制造中得到應用。
激光焊接鋁合金首先實現了機身外皮與長桁之間的連接，并且在A318外殼系列產品上得以實現。在該項技術中CO2激光器作為焊接熱源，焊接材料主要為6000系列，這種材料在添加填充焊絲的情況下具有較好的可焊性。這樣使用填充焊絲的激光雙面焊接技術取代了傳統的蒙皮#p#分頁標題#e#-長桁間的鉚接過程，如圖1。激光焊接結構降低了對材料的消耗，減輕了飛機的重量，減少了生產工藝步驟，提高了制造速度，從整體上實現了降低成本的目標。另一方面由于沒有鉚接用孔以及鉚接連接所需的搭接結構，改善了飛機的氣體動力學性能，一體化的制造方式同時也降低了飛機的維修成本。
目前空客A318的兩個機身外殼總共110m焊縫采用激光焊接，A380八個機身外殼共650m焊縫采用激光焊接。新型飛機也越來越多地采用激光焊接機身外殼，所以在飛機制造過程中機身的激光焊縫長度在繼續增長，A340中14個機身外殼798m激光焊縫，A350中18個機身外殼1000m激光焊縫。隨著飛機型號的更新激光焊接機身外殼數量也在不斷增加。在2005年共有A318、A380、#p#分頁標題#e#A340等型號210個機身外殼采用激光焊接，在未來激光焊接的機身外殼數量將顯著增加。
圖1 鉚接以及激光焊接機身外殼結構的比較 圖2 采用SLM技術制造的鈦合金中空結構；
激光成形技術在航空航天領域的應用
激光成形技術自20世紀80年 代誕生以來在材料、工藝、設備以及相關的應用領域得到了迅猛的發展。與傳統制造技術相比，其不僅可以縮短產品研發時間、降低研發成本、對市場需求進行快速 反應，另外其寬泛的設計自由度以及易于與其他制造技術進行集成的特點為制造業單件、小批量、個性化生產零件提供了可能，使之成為21世紀最具有潛力的制造技術。雖然目前激光成形件還存在著工藝“瓶頸”如表面質量相對粗糙、內部存在孔洞、氣孔等缺陷、裂紋和變形難以控制等，但是一批激光成形技術的零件由于具有較高的性能、尺寸的精確性而用于航空航天、國防、汽車、醫療、電子等領域。
#p#分頁標題#e#激 光成形技術在航空航天領域的應用可以概括為直接制造金屬零件和航空發動機零件的修復。飛機起落架、外掛架翼肋、外掛架艙壁等零件可以直接制造。這些零件一 般為鈦合金、鋁合金等輕型結構件，具有用量少、結構復雜等特點，一般采用傳統的方法難以加工、即使可以加工由于制模等過程零件加工所需的時間較長、復雜零 件的加工受到限制或者我國缺乏大噸位水壓、油壓機等基礎設施的因素，限制了這些零件的快速面世，圖2為采用區域選擇激光熔化技術（SLM，Selective Laser Melting）制造的鈦合金中空結構，壁厚僅為0.5mm，這樣的零件采用精密鑄造方法無法制造。
LENS（Laser Engineered Net Shaping）技術可用于傳統焊接方法無法修復的零件，如航空發動機渦輪轉子、壓氣機定子等元件，這些零件一般采用鎳基合金或者鈦合金制造，制造過程費時費力，制造成本也較高，一旦缺損修復的成本也較高。LENS技術的另一應用就是“移動式零件修復醫院”。它在沒有要建零件數據信息的情況下，采用衛星通信設備傳輸有關要制造零件的信息，或者采用逆向工程獲得要建零件的外部輪廓信息，經過必要的處理后直接實現修復或者制造。LENS技術最具特色優勢在于制造的過程中實現零件中材料成分的實時連續變化，制造具有材料以及性能梯度的高性能零部件。圖3a為采用LENS技術制造的先進渦輪發動機三合金葉輪。該葉輪的A處為Ti6Al4V合金、B處采用正斜方晶鈦合金Ti22-23、C處采用γ-TiAl(Ti48Al2Cr2Nb)合金制造。圖3b為Ti6Al4V與γ-TiAl(Ti48Al2Cr2Nb)兩種合金的冶金結合界面。
圖3 a)采用LENS制造的先進渦輪發動機的三合金葉輪；b) Ti6Al4V與γ-TiAl(Ti48Al2Cr2Nb)的連接界面
激光分離技術在航空航天領域的應用
激 光打孔技術為以激光束為熱源采用熱去除方法進行的分離技術。與傳統打孔技術相比其優勢在于較高的柔性以及較好的自動化程度。激光打孔為無接觸打孔，加工工 具與被加工材料之間不會造成摩擦，也不會因為被加工材料較硬而發生鉆頭折斷，激光打孔與傳統打孔技術的對比見表#p#分頁標題#e##p#分頁標題#e#1。激光對金屬材料、陶瓷材料以及高分子材料的精細以及微打孔技術以已經成熟，主要應用于汽車工業、半導體工業、制表業以及醫療技術中。
激光打孔與激光切割、激光焊接的方法相同，具有復雜的物理過程。根據材料被去除的形式分為激光熔化打孔和激光升華打孔方法。兩者的物理機制不同，打孔的質量不同，分別適合不同的被加工材料。
目前工業發達國家的航空產品生產上均配有相當數量的多坐標激光打孔機，例如美國通用電器公司將激光打孔技術應用在航空發動機的生產中，據統計每臺發動機平均要用激光打孔10萬個，一年生產的葉片、火箭筒和隔熱屏等零件要打孔5000萬個。此外渦輪葉片、機匣外殼和燃燒室也采用激光打孔。
激光打孔速度雖然已經很快，但仍然不能滿足日益增長的社會需求，還在向更高的打孔速度方向發展。另外新的加工材料層出不窮，要求熱源具有更強的加工能力，提高難加工材料的使用價值。此外激光打孔也在向微米級尺寸方向上發展，向更深的打孔深度方向發展。
表1 激光打孔方法與傳統打孔方法技術指標的對比
激光表面技術在航空航天領域的應用
激光沖擊技術的原理是，短脈沖、高峰值功率密度的激光在輻射金屬表面發生汽化蒸發時產生高壓沖擊波，這些沖擊波在材料表層形成密集、穩定的位錯結構的同時，使材料表層產生應變硬化和殘留壓應力，從而顯著提高材料的抗疲勞和抗應力腐蝕等性能。
激光沖擊強化時產生的沖擊波壓力達到數GPa乃至TPa量級，沖擊波在10～20ns內將單脈沖能量幾十焦耳的光能轉變成沖擊波機械能，由于沖擊波作用時間短，僅為幾十納秒，應變率比機械沖壓高出10000倍。激光沖擊強化技術上述高壓、高能和超高應變率等特點可以用于改善飛機和航空發動機結構中金屬材料的表面性能，減少疲勞和腐蝕等失效的可能性，與傳統的噴丸、滾壓、內擠壓等多種表面強化工藝相比，具有更多的優勢。
激光沖擊強化技術開發于20世紀70年代初的美國貝爾實驗室，由于缺少可靠的、高脈沖頻率的大功率激光器而一直未能實用化。直到上世紀90年代，美國利佛莫爾國家實驗室等開展了激光沖擊強化技術的理論、工藝和設備研究，使該技術獲得了發展，1997年首次將此技術用于航空發動機單體葉片的強化處理，大幅度提升了葉片的抗異物破壞能力和高周疲勞性能。目前該技術可應用于發動機整體葉盤強化、機翼壁板成形、機身小孔強化等方面。
整體葉盤是提高發動機性能、簡化結構、減輕重量、提高可靠性的重要措施。激光強化可用于葉片邊緣缺口小于#p#分頁標題#e# 3mm的葉片，使其使用壽命與完好的未強化葉片相當，如圖4a)。在役未強化的整體葉盤葉片出現微小裂紋后經沖擊處理，疲勞強度仍能滿足要求。自2003年起美軍將激光沖擊技術應用于航空發動機整體葉盤，到2009年F22戰機上75% 的整體葉盤都經過激光沖擊處理。焊接接頭的力學性能不足和存在的殘余應力可能引起脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕破壞以及降低結構的穩定性。研究結果表明，經激光沖擊處理后，2195鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的屈服強度提高60%、抗拉強度提高11%。機翼整體壁板結構較大，型面復雜，而且壁板內部存在加強筋，如圖4b)。因而機翼壁板成形是飛機制造的重大難題。激光沖擊成形用于機翼壁板成形產生的殘余壓應力深，容易控制成形參數而更具優勢。
圖4 a)采用激光強化處理整體葉盤；#p#分頁標題#e#b) 采用激光強化處理機翼壁板
目前激光沖擊技術一般采用工件固定、激光運動的方式進行。而且開始采用方形光斑代替圓形光斑以避免在沖擊區的中心產生應力空洞現象。方形光斑的采用使搭接率減少為3%(圓形光斑的搭接率在20%以上)，不僅強化效率大幅高，表面粗糙度也得到改善。
激光材料加工技術的未來發展趨勢
自激光出現的60年 時間里，激光以及激光材料加工技術發生的巨大進展無疑是喜人的，本文中的內容只是在一個行業應用的實例，還有很多突出的進展由于篇幅有限在文中并沒有述 及。未來人們將繼續對激光與材料之間的物理作用進行深入的探索，對相互作用區的物理現象逐漸加深，在這樣的基礎上人們可以更加準確的控制工藝過程，使激光 材料加工技術能更符合工業領域的應用，擴大在激光材料加工技術在工業領域的應用范圍。
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