激光加工技術(shù)在先進發(fā)動機各大部件中典型應用
激光加工技術(shù)發(fā)展歷程圖
激光與普通光相比最突出的特性是單色性、方向性好，相干性和亮度高。其中，相干性是指光在時間、空間上兩個光波場的相關(guān)程度。激光另外一個特點是瞬時性，通過調(diào)Q、鎖模等脈沖壓縮技術(shù)可以實現(xiàn)激光脈沖持續(xù)時間僅為ns（10^-9s）、ps（10^-12s）甚至fs（10^-15s）。
自上世紀60年代初第一臺激光器誕生以來，伴隨著人類對激光特性、激光與物質(zhì)相互作用機理等理論研究的不斷深入，以及各種高性能、高效率激光器件的不斷涌現(xiàn)，在以航空航天行業(yè)為代表的各類軍用和民用產(chǎn)品對高質(zhì)量、低成本、綠色制造技術(shù)需求的牽引下，激光加工技術(shù)研究與應用日趨廣泛而深入，并逐漸成為引領(lǐng)各行業(yè)制造技術(shù)發(fā)展的重要驅(qū)動力之一。
激光加工技術(shù)充分利用了激光好的方向性、高亮度和瞬時性，是以激光作為加工熱源的一種特種加工技術(shù)，包括激光焊接、激光切割、激光制孔、激光表面處理、激光增量制造及激光微納加工。由于激光具有良好的單色性、方向性、相干性，以及高亮度等特性，激光加工在許多方面具有其他加工方法無法比擬的優(yōu)點，如無接觸、無“切削力”加工，高硬度、高脆性、高熔點材料加工，高靈活性、高可控性加工，高精度、高質(zhì)量、高效率加工等。經(jīng)過近幾十年的不斷發(fā)展，激光技工技術(shù)已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)完善的技術(shù)群（如圖1所示），包括焊接、切割、制孔、標記、雕刻、熔覆、表面熱處理、合金化、清洗、沖擊強化、增材制造及激光微納加工等。
激光加工技術(shù)是推動以航空、航天飛行器為代表的運載工具向高性能、輕量化、長壽命、短周期、低成本等方向發(fā)展的關(guān)鍵制造技術(shù)。尤其在航空工業(yè)，激光加工技術(shù)極大地促進了航空制造技術(shù)的跨越發(fā)展（見圖2）。高效率激光制孔技術(shù)的成功開發(fā)及成熟應用，使在航空發(fā)動機熱端部件設計大量氣膜冷卻小孔成為可能。據(jù)報道，每臺現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機的氣膜孔平均數(shù)量超過10萬個，據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界每年有約10億個氣膜孔需要加工。正是發(fā)動機熱端部件氣膜孔結(jié)構(gòu)設計及成功應用，最能體現(xiàn)發(fā)動機性能的渦輪前工作溫度可以提高400℃以上。激光制孔極具潛力的應用是在飛機機翼、垂尾、發(fā)動機殼體等表面加工密集微孔，例如，美國曾在F-16XL機翼上采用激光加工千萬數(shù)量級的50μm微孔，孔間距0.5mm，用于吸氣，以使機翼保持為層流而非湍流，風洞試驗表明可以減小飛行阻力15%。
發(fā)動機的大修、維護，對提高工作壽命、降低運行成本的作用是顯而易見的。激光熔覆技術(shù)已用于發(fā)動機葉片、壓氣機機匣、軸類零件、封嚴結(jié)構(gòu)以及最能代表當今發(fā)動機結(jié)構(gòu)設計先進性的整體葉盤的熔覆修復，與弧焊方式相比，效率提高至少4倍以上，而且產(chǎn)生更小的熱影響，性能明顯提高。
歐洲《航空航天制造》雜志一篇題為“激光加工將引起復合材料的又一次革命”的文章中為激光切割應用于飛機、發(fā)動機復合材料構(gòu)件展示了美好的前景。碳纖維復合材料由于高熱傳導率等特點，機械銑削和鉆孔會造成熱損傷、碎屑、分層和刀具磨損。試驗研究結(jié)果表明，激光切割由于非接觸加工的特點，采用單模光纖激光高速切割僅產(chǎn)生非常小熱損傷，可以得到高質(zhì)量的切口邊緣，很好地解決了機械切削帶來的問題。
我國激光加工技術(shù)在航空工業(yè)研發(fā)、應用起步并不晚。中航工業(yè)制造所早在1968年就開始跟蹤并研發(fā)激光打孔技術(shù)，經(jīng)過近20年的工藝及設備開發(fā)，終于在上世紀80年代成功將其用于正在研制的發(fā)動機I級工作葉片氣膜冷卻孔加工，葉片的降溫效果在200℃以上，發(fā)動機的渦輪前溫度達到了設計指標，為該型發(fā)動機研制作出了巨大貢獻。上世紀90年代，利用激光技術(shù)的最新成果，制造所研制成功了六軸數(shù)控毫秒脈沖YAG激光加工小孔專用設備并開發(fā)的高壓吹氧YAG激光旋切加工工藝，使加工小孔效率提高了數(shù)十倍，小孔質(zhì)量顯著提高。在制造所激光加工小孔技術(shù)研究及應用的牽引、推動下，激光加工小孔技術(shù)在航空工業(yè)已得到廣泛應用，制造所開發(fā)的多軸數(shù)控激光制孔設備也已經(jīng)成功推廣應用于航空發(fā)動機制造廠。
進入21世紀，以中航工業(yè)制造所為代表的科研單位，通過研發(fā)、攻關(guān)，激光焊接、沖擊強化、增材制造（3D打印）、熔覆修復等技術(shù)都已在航空制造中得到應用。例如，制造所緊跟國外激光焊接技術(shù)的前沿動態(tài)，突破了活性劑激光焊接、激光/MIG/等離子復合焊接、雙光束激光填絲焊接等關(guān)鍵技術(shù)，在自主開發(fā)、集成激光焊接設備基礎(chǔ)上，在我國率先實現(xiàn)激光焊接在新型航空發(fā)動機、飛機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)制造中的工程應用；激光沖擊強化技術(shù)雖然起步較晚，始于上世紀90年代末，但是經(jīng)過制造所研發(fā)團隊的不懈努力，成功研發(fā)出具有自主知識的激光沖擊強化專用激光器、裝備及工藝，使該技術(shù)成功用于高性能航空發(fā)動機的研制。
制造世界一流航空飛行器及動力裝置是中國航空人的“中國夢”。實現(xiàn)這個夢想，航空制造技術(shù)的創(chuàng)新跨越發(fā)展是關(guān)鍵，而激光加工技術(shù)就是航空制造跨越發(fā)展的重要驅(qū)動力。
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