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工业应用
激光技术助力我国航空航天事业
材料来源:国科激光           录入时间:2011-11-14 9:35:14

随着“天宫一号”的发射,标志着我国的航天技术再上一个新台阶,而激光技术作为当今世界范围内最先进的制造加工技术之一,它在航空航天领域内的应用,对于我国航空航天工业的迅速发展起着重要的推动作用。不管是 “天宫一号”目标飞行器,还是之前的“神舟七号”宇宙飞船、“嫦娥奔月”计划、“大飞机”计划、载人航天工程等,都广泛应用了激光技术。

以下将介绍航空航天工业中几种激光加工技术的应用情况:

(一)激光焊接技术:

这是激光在航空航天领域应用的最广泛的技术,因为激光焊接相对于电子束、等离子束和传统焊接方法有自己独特的优势:

⑴.能量密度高。高功率激光束经聚焦后,焦斑直径很小,因此功率密度很高,可达105~108W/cm2,比电弧焊(5×102~104W/cm2)要高出几个数量级,能焊接高硬度、高脆性及高熔点、高强度的材料。

⑵.热影响区和变形区都很小。激光焊接加热及冷却速度极高,其结晶速度比一般熔焊的高几十倍,热影响区很小,材料变形小,无需后续工序处理。

⑶.焊接不同材料的组合。可对高熔点、高热导率、物理性质差异较大的异种或同种金属材料进行焊接。

⑷.激光焊接系统具有高的柔性。与CAD/CAM或机器人联合组成的焊接系统可形成多功能的激光加工系统,焊接速度快,功效高,易于实现自动化。

在20世纪70年代之前,由于没有高功率连续激光器件,因此研究的重点是小型精密零件的点焊,或者由单个焊点搭接而成的缝焊。而时至今日,随着激光器功率的提高,现在焊接十几毫米厚的钢板也比较容易。

另外,激光焊接由于热影响小、密封性好、适合在真空等特殊环境下加工,因此在航天航空器件中得到广泛应用。华工激光生产的高精密激光焊接机,在贵州某军工企业专门为神七焊接焊接钽电容器件,这种钽电容器件用于神七发射装置及飞船内部仪器。贵州某军工厂专门为航天提供军用钽电容和军用继电器,采用了特殊合金外壳,需要在纯氮环境下实施密封焊接。针对这一特殊应用,华工激光有针对性的研发了真空手套箱激光焊接系统,对产品实现了完美焊接。

目前激光焊接最新的应用成果是,用激光焊接技术取代传统的铆钉进行铝合金飞机机身的制造从而减轻飞机机身重量近20%,提高强度近20%,如今德国宇航公司MBB、空中客车公司都应用了此项技术。

(二)激光切割技术和激光打孔技术:

这两项技术的原理是将能量聚焦到微小的空间,从而获得极高的辐照功率密度(105~1015W/c m2),进而利用这一高密度的能量进行非接触、高速度、高精度的加工。其中,激光切割技术是一种摆脱传统的机械切割、热处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、更灵活的切割方法和更高的生产效率等特点。

现在典型的飞机零部件大量采用铝合金、钛合金、耐高温合金等特种合金,结构形状复杂,成形要求精确,而大功率激光切割机加工技术的引进,能提高加工的质量,降低模具投资成本,缩短生产周期,特别适用于复杂零配件加工。去年,华工激光法利莱制造的Contour DM数控激光切割机在西安某军工企业采购激光切割机项目中一举中标,打破了进口大功率激光切割机垄断特种合金和飞机发动机零配件加工领域的格局,这标志着国产化大功率激光切割机加工技术已具备国际先进水平。

而激光打孔方法作为在固体材料上进行孔加工的方法之一,已成为一项拥有特定应用的加工技术。这两项技术在航空领域中主要用于航空发动机、涡轮叶片的激光打孔以及航空发动机的激光切割等方面。例如,国际上众多的航空发动机企业采用三维激光设备进行燃烧器段的高温合金材料的切割和打孔任务;军用和民用航空器的铝合金材料或特殊材料的激光切割同样也获得了成功,尤其在钛合金激光切割的开裂和重熔层的研究上颇有成就。

在“神舟七号”航天飞船中,由于飞船在大气层中飞行会产生很大的热量,在飞船内需要有许多包覆层来对实现隔热,为了在温度上升过程中顺利的将包覆层之间的空气排出,需要在包覆层上面均匀分布很多微细的小孔,华工激光针对这一应用并结合自身的薄型材料激光切孔专利开发的自动激光切孔机已经应用到神七的包覆层切孔上。

 (三)快速成形技术:

快速成形技术是基于离散-堆积成形原理的成形方法,由产品三维CAD模型数据直接驱动,组装(堆积)材料单元而完成任意复杂的三维实体(不具有使用功能)的技术总称。快速成形技术在航空领域的应用直接体现在航空用钛合金结构件的直接制造以及航空发动机零件的快速修复方面。例如,2001年在美国国防部的支持下激光近形制造技术由技术研究转化为装机应用,应用在F/A-18E/F、F-22、JSF等先进歼击机上。又如,美军在恶劣的沙漠环境中使用直升机,由于发动机上很多带叶片的叶轮受到沙粒侵蚀,使直升机的飞行寿命锐减。为此美军引入了LENS技术对破损的零部件进行修复。据报道,采用传统方法修复一个直升机发动机大约需要11万美元,而采用激光直接制造技术进行修复大约只需要500美元,且修复部分的材料耐磨性能优于原始材料。由此可见该技术可能产生的巨大经济效益。

(四) 激光融覆技术:

激光融覆技术是以高能量密度的激光为热源在基材表面熔覆一层熔覆材料,使之与基材实现冶金结合,在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的表面改性方法。该技术集快速原型制造技术及激光熔覆表面改性技术于一体,可实现三维金属零件的修复而无需工模具。在航空领域,航空发动机的备件价格很高,因而在很多情况下维修零件是比较划算的,但是修复后零件的质量必须满足安全要求。例如,飞机螺旋桨叶片表面上出现损伤时,必须通过一些表面处理技术进行修复。除了考虑螺旋桨叶片所要求的高强度、高耐疲劳性,还必须考虑表面修复后的耐腐蚀性,激光熔覆技术正好可以很好地应用于此。除此之外,激光融覆技术还可在涡轮机叶片、壳体结合部件、阀体部件等零部件的修复上得到应用。

随着一批大计划、大项目的实施,我国的航空航天工业迎来了自己的春天,而走在制造技术发展潮流最前端的激光先进制造技术正在该领域显示出其越来越重要的作用。我们有理由相信,在不远的将来,激光制造技术在航空航天领域中必将获得更大、更多的应用。


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