“天宮一號”的發射標志著我國航天技術再上一個新臺階，而激光技術作為當今世界范圍內最先進的制造加工技術之一，它在航空航天領域內的應用，對于我國航空航天工業的迅速發展起著重要的推動作用。不管是 “天宮一號”目標飛行器，還是之前的“神舟七號”宇宙飛船、“嫦娥奔月”計劃、“大飛機”計劃、載人航天工程等，都廣泛應用了激光技術。
以下將以“神舟八號”為例，介紹在航空航天工業中可能用到的幾種激光加工技術。
激光焊接技術
這是激光在航空航天領域應用的最廣泛的技術，因為激光焊接相對于電子束、等離子束和傳統焊接方法有自己獨特的優勢：
1) 能量密度高：高功率激光束經聚焦后，焦斑直徑很小，因此功率密度很高，可達105～108 W/cm2，比電弧焊(5×102～104 W/cm2)要高出幾個數量級，能焊接高硬度、高脆性及高熔點、高強度的材料。
2) 熱影響區和變形區都很小：激光焊接加熱及冷卻速度極快，其結晶速度比一般熔焊的快幾十倍，熱影響區很小，材料變形小，無需后續工序處理。
3) 焊接不同材料的組合：可對高熔點、高熱導率、物理性質差異較大的異種或同種金屬材料進行焊接。
4) 激光焊接系統具有高的柔性：與CAD/CAM或機器人聯合組成的焊接系統可形成多功能的激光加工系統，焊接速度快，功效高，易于實現自動化。
20世紀70年代之前，由于沒有高功率連續激光器件，因此研究的重點是小型精密零件的點焊，或者由單個焊點搭接而成的縫焊。而時至今日，隨著激光器功率的提高，現在焊接十幾毫米厚的鋼板也比較容易。
另外，激光焊接由于熱影響小、密封性好、適合在真空等特殊環境下加工，因此在航天航空器件中得到廣泛應用。華工激光生產的高精密激光焊接機，在貴州某軍工企業專門為神舟八號焊接鉭電容器件，這種鉭電容器件用于神舟八號發射裝置及飛船內部儀器。貴州某軍工廠專門為航天提供軍用鉭電容和軍用繼電器，采用了特殊合金外殼，需要在純氮環境下實施密封焊接。針對這一特殊應用，華工激光有針對性地研發了真空手套箱激光焊接系統，對產品實現了完美焊接。
目前激光焊接最新的應用成果是，用激光焊接技術取代傳統的鉚釘進行鋁合金飛機機身的制造從而減輕飛機機身重量近20%，提高強度近20%，如今德國宇航公司MBB、空中客車公司都應用了此項技術。
激光切割技術和激光打孔技術
這兩項技術的原理是將能量聚焦到微小的空間，從而獲得極高的輻照功率密度(105～1015 W/cm2)，進而利用這一高密度的能量進行非接觸、高速度、高精度的加工。其中，激光切割技術是一種擺脫傳統的機械切割、熱處理切割的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的表面粗糙度值、更靈活的切割方法和更高的生產效率等特點。
現在典型的飛機零部件大量采用鋁合金、鈦合金、耐高溫合金等特種合金，結構形狀復雜，成形要求精確，而大功率激光切割機加工技術的引進，能提高加工的質量，降低模具投資成本，縮短生產周期，特別適用于復雜零配件加工。去年，華工激光法利萊制造的Contour DM數控激光切割機在西安某軍工企業采購激光切割機項目中一舉中標，打破了進口大功率激光切割機壟斷特種合金和飛機發動機零配件加工領域的格局，這標志著國產化大功率激光切割機加工技術已具備國際先進水平。
而激光打孔方法作為在固體材料上進行孔加工的方法之一，已成為一項擁有特定應用的加工技術。這兩項技術在航空領域中主要用于航空發動機、渦輪葉片的激光打孔以及航空發動機的激光切割等方面。例如，國際上眾多航空發動機企業采用三維激光設備進行燃燒器段的高溫合金材料的切割和打孔任務；軍用和民用航空器的鋁合金材料或特殊材料的激光切割同樣也獲得了成功，尤其在鈦合金激光切割的開裂和重熔層的研究上頗有成就。
在神舟八號飛船中，由于飛船在大氣層中飛行會產生很大的熱量，在飛船內需要有許多包覆層來實現隔熱，為了在溫度上升過程中順利的將包覆層之間的空氣排出，需要在包覆層上面均勻分布很多微細的小孔，華工激光針對這一應用并結合自身的薄型材料激光切孔專利開發的自動激光切孔機已經應用到神舟八號的包覆層切孔上。
快速成形技術
快速成形技術是基于離散-堆積成形原理的成形方法，由產品三維CAD模型數據直接驅動，組裝(堆積)材料單元而完成任意復雜的三維實體(不具有使用功能)的技術總稱。快速成形技術在航空領域的應用直接體現在航空用鈦合金結構件的直接制造以及航空發動機零件的快速修復方面。例如，2001年在美國國防部的支持下激光近形制造技術由技術研究轉化為裝機應用，應用在F/A-18E/F、F-22、JSF等先進殲擊機上。又如，美軍在惡劣的沙漠環境中使用直升機，由于發動機上很多帶葉片的葉輪受到沙粒侵蝕，使直升機的飛行壽命銳減。為此美軍引入了LENS技術對破損的零部件進行修復。據報道，采用傳統方法修復一個直升機發動機大約需要11萬美元，而采用激光直接制造技術進行修復大約只需要500美元，且修復部分的材料耐磨性能優于原始材料。由此可見該技術可能產生的巨大經濟效益。
激光熔覆技術
激光熔覆技術是以高能量密度的激光為熱源在基材表面熔覆一層熔覆材料，使之與基材實現冶金結合，在基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層的表面改性方法。該技術集快速原型制造技術及激光熔覆表面改性技術于一體，可實現三維金屬零件的修復而無需工模具。在航空領域，航空發動機的備件價格很高，因而在很多情況下維修零件是比較劃算的，但是修復后零件的質量必須滿足安全要求。例如，飛機螺旋槳葉片表面上出現損傷時，必須通過一些表面處理技術進行修復。除了考慮螺旋槳葉片所要求的高強度、高耐疲勞性，還必須考慮表面修復后的耐腐蝕性，激光熔覆技術正好可以很好地應用于此。除此之外，激光熔覆技術還可在渦輪機葉片、殼體結合部件、閥體部件等零部件的修復上得到應用。
隨著一批大計劃、大項目的實施，我國的航空航天工業迎來了自己的春天，而走在制造技術發展潮流最前端的激光先進制造技術正在該領域顯示出其越來越重要的作用。我們有理由相信，在不遠的將來，激光制造技術在航空航天領域中必將獲得更大、更多的應用。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
