一言不合就用激光，航空制造中的激光技術(shù)你懂幾個(gè)？

行業(yè)動態(tài) 2022-04-30 17:48

激光是原子在受激幅射放大過程中發(fā)出的光。激光加工則是利用高能量密度激光束照射工件，將材料加熱、熔化、氣化的一種無機(jī)械接觸的加工方法。

由于它具有無接觸、不需要工模具、清潔、效率較高、方便實(shí)行數(shù)控和可以用來進(jìn)行特殊加工，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、冶金、航空航天、機(jī)械等眾多領(lǐng)域。可用來進(jìn)行打孔、切割、銑削、焊接、刻蝕、大型零件的強(qiáng)化和修復(fù)、材料表面改性和材料合成、模具、模型和零件的快速制造等。

激光加工技術(shù)

在航空制造業(yè)中，激光技術(shù)扮演著越來越重要的角色。可以說是一言不合就用激光，到底激光技術(shù)強(qiáng)大在哪里，今天就給大家來聊聊激光技術(shù)的那些應(yīng)用。

激光加工技術(shù)廣泛用于航空制造中

激光打孔

激光打孔是一種最早達(dá)到實(shí)用化激光加工技術(shù)，同樣也是激光加工的主要領(lǐng)域之一。這種技術(shù)的特點(diǎn)是能加工到1μm的微孔，尤其適合加工與表面成各種角度的小孔，薄壁零件的小孔、復(fù)合零件的深小孔以及硬、脆、軟和高強(qiáng)度等難加工材料上的微小孔。激光打孔與工件材料的剛性、強(qiáng)度、脆性等機(jī)械性能無關(guān)，能在鈹、銅、鋁、鋅、鐵、不銹鋼、耐熱合金、硬質(zhì)合金等材料上打孔，并且容易實(shí)現(xiàn)自動化。

激光打孔

固體激光器在金屬打孔加工中占用主導(dǎo)地位。目前國外的發(fā)動機(jī)公司廣泛采用固體激光器加工發(fā)動機(jī)零部件的小孔。為提高小孔加工加工水平，國外采用高重復(fù)頻率Nd；YAG激光器和穩(wěn)定的基模輸出激光器。目前國外航空發(fā)動機(jī)公司使用平均功率為400W的Nd；YAG激光器加工鎳基合金發(fā)動機(jī)葉片小孔。

YAG激光器內(nèi)部圖

美國普惠公司用座標(biāo)釹玻璃激光器在鎳鈷合金渦輪葉片上加工直徑為0.5mm，深為3.1mm的冷卻孔，只用7秒鐘。

釹玻璃激光器

國外一些航空活門制造廠廣泛采用激光打孔。采用50WCO2激光打孔，打出孔徑為0.2mm-1mm，加工時(shí)間為50ms-80ms，效率可以達(dá)到300孔/分。

CO2激光器

激光切割

激光切割是激光在材料加工中另一項(xiàng)成熟的應(yīng)用。激光切割范圍和很寬，它可以切割各種高硬度、高熔點(diǎn)的金屬、非金屬等各種材料。激光切割具有切縫窄、速度快、熱變形小，省材等優(yōu)點(diǎn)。并可切割硬質(zhì)材料、脆性材料及粘性材料。

激光切割技術(shù)

相較于傳統(tǒng)的切割方法，激光切割技術(shù)的高精度、強(qiáng)適應(yīng)性以及噪聲小、切割質(zhì)量好等待點(diǎn)被大面積的應(yīng)用，與此同時(shí)，對于一些復(fù)雜且借助大型磨具完成的加工操作，在激光切割技術(shù)的應(yīng)用下，不僅不需要應(yīng)用磨具，同時(shí)還能夠保證切割的質(zhì)量，在降低生產(chǎn)成本的過程中，提高生產(chǎn)效率。因而，激光切割技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空制造等領(lǐng)域中。

激光切割鈑金

在航空工業(yè)中激光切割的材料有：鈦合金、鎳合金、鉻合金、鋁合金、不銹鋼、塑料、復(fù)合材料等。在航空設(shè)備制造中，外殼采用特殊金屬材料制成，強(qiáng)度高、硬度高、耐高溫，普通的切割手段很難完成材料的加工，激光切割是一種高效的加工手段，可激光切割加工飛機(jī)蒙皮、蜂窩結(jié)構(gòu)、框架、發(fā)動機(jī)機(jī)匣等。激光切割一般用連續(xù)輸出的激光器，也有高重頻二氧化碳脈沖激光器。

激光切割航空零件

激光焊接

激光焊接是以激光為熱源進(jìn)行的焊接。激光是一束平行光，用拋物面鏡或凸透鏡聚焦，可以得到較高的功率密度。用高密度的激光熱源進(jìn)行焊接，可焊接熔深要求較大的焊縫。

激光焊接

與其他焊接方法相比，激光焊接有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、焊接輸入熱量可受控并降低到最低需要量，焊接熱影響區(qū)金相變化范圍可以很小，零件焊后導(dǎo)致的變形亦最??；

2、無電極，無電極污染或受損的顧慮，機(jī)具的耗損及變形可降低至最低；

3、焊接不受距離限制，可以切換裝置將激光束傳送至多個(gè)工作站，易于自動化高速焊接；

4、激光束不受磁場干擾，便于精確對準(zhǔn)焊件，焊接精度高；

5、不需要真空，也不需做射線防護(hù)。

目前，激光焊接機(jī)已達(dá)到脈寬從20μs到20ms；平均功率10W到500W；每個(gè)脈沖能量0.1J到100J；重復(fù)頻率0.1Hz-600Hz?，F(xiàn)在美國、日本、蘇聯(lián)等發(fā)達(dá)國家都研制出性能先進(jìn)的固體激光焊接，有的已步入商品行列，應(yīng)用于航空、航天、電子工業(yè)中，如航空模盒、儀表殼體、波紋管、顯像管、各種熱敏元件等。

激光焊接器

在航空工業(yè)中激光焊接技術(shù)應(yīng)用的很廣泛。

以激光焊接代替飛機(jī)鉚接工藝：

目前的鋁合金板材結(jié)構(gòu)的連接一般仍采用傳統(tǒng)的鉚接工藝，但是這種工藝存在不可避免的問題，如飛機(jī)質(zhì)量增加，需要預(yù)加工工藝孔，準(zhǔn)備時(shí)間長等問題。

使用激光焊接不論從降低飛機(jī)制造成本、縮短生產(chǎn)周期、還是減輕飛機(jī)質(zhì)量、體高飛機(jī)性能方面都有良好的表現(xiàn)。目前，激光焊接已應(yīng)用于波音、空客等主要航空企業(yè)的飛機(jī)制造中。

激光焊接蒙皮與長桁

普惠公司在美國空軍項(xiàng)目IMIP計(jì)劃資助下，建立了渦輪葉片激光焊接中心，可以完成渦輪葉片所需要部件的自動激光焊接，如JT9D和FLO的二級渦輪轉(zhuǎn)子葉片以及V2500、F100PW-220、PW2037、PW4000等發(fā)動機(jī)的渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、機(jī)匣、燃燒室等均采用激光焊接工藝技術(shù)。V2500發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣前后段就是日本JACE的相關(guān)公司采用6kw的CO2激光將其焊接成整體的。

V2500 發(fā)動機(jī)

激光沖擊強(qiáng)化

激光沖擊強(qiáng)化簡稱LSP技術(shù)，是一種利用激光沖擊波對材料表面進(jìn)行改進(jìn)，提高材料的抗疲勞度、磨損和應(yīng)力腐蝕等性能的技術(shù)。

利用高功率短脈沖激光與板材相互作用產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波，在工件表面形成瞬時(shí)溫度高達(dá)10000℃的高溫和數(shù)GPa的高壓，使金屬材料發(fā)生微彈塑性變形，從而提高金屬材料的疲勞壽命和抗疲勞磨損機(jī)械性能，達(dá)到航空器材改性目的。航空鋁合金7050T541在經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化處理后，試件沖擊區(qū)表面的殘余應(yīng)力與未經(jīng)沖擊處理區(qū)相比，有了極高的提高，可以達(dá)到-147MPa～-237MPa以上的水平，試件疲勞壽命能提高到未經(jīng)沖擊處理試件的518%以上。

激光沖擊強(qiáng)化

激光沖擊強(qiáng)化的應(yīng)用剛開始進(jìn)程不快，范圍也不廣，1974年和1983年美國人僅取得了兩項(xiàng)發(fā)明專利，1996年以后，人們充分認(rèn)識到其能顯著提高表面殘余壓應(yīng)力和表面疲勞壽命，并能控制表面裂紋的發(fā)生和生長。如今，激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用飛速發(fā)展，通用電氣公司在激光沖擊強(qiáng)化上取得了至少23項(xiàng)美國專利。

激光沖擊強(qiáng)化加工金屬表面

在航空領(lǐng)域中，激光強(qiáng)化處理可用來整修飛機(jī)上的緊固件等，目前飛機(jī)上所使用的緊固件數(shù)量驚人，僅對于在機(jī)翼還是機(jī)翼或機(jī)身的各種重要部件而言，每架飛機(jī)緊固件數(shù)量也高達(dá)3-20萬件。因此，開展激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)能改善飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的緊固件周圍疲勞性能的應(yīng)用研究，提高飛機(jī)的安全性、可靠性和使用壽命均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

激光沖擊強(qiáng)化緊固件

提高關(guān)鍵零部件的耐磨性和高頻疲勞壽命方面，激光沖擊強(qiáng)化能在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，并可深達(dá)1.0mm至2.0mm，而普通的機(jī)械噴丸硬化只有0.25mm深。較大的殘余壓應(yīng)力對諸如渦輪葉片這一類的部件的關(guān)鍵區(qū)域有著至關(guān)重要的作用，其可防止裂紋擴(kuò)展，延長葉片壽命。激光沖擊強(qiáng)化特別適合強(qiáng)化有應(yīng)力集中的局部重點(diǎn)疲勞區(qū)，如孔、槽、圓角等，適合于激光沖擊強(qiáng)化處理的材料為碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金高溫合金等。適合處理的零件很多，如齒輪、軸承、連接桿、渦輪葉片、軸等。精加工后的工作面，可阻止處理部位材料裂紋的擴(kuò)展。

發(fā)動機(jī)整體葉盤進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化

激光熔覆

激光熔覆是材料表面改性技術(shù)的一種重要方法，它是利用高能激光束子在金屬表面輻照，通過迅速熔化、擴(kuò)展和迅速凝固，冷卻速度通常達(dá)到102-106/s，在基材表面熔覆一層具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的材料，從而構(gòu)成一種新的復(fù)合材料，以彌補(bǔ)機(jī)體所缺少的高性能，這種復(fù)合材料能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，彌補(bǔ)互相的不足。對于某些共晶合金，甚至能得到非晶態(tài)表層，具有極好的抗腐蝕性能。

激光熔覆技術(shù)

國內(nèi)外研究表明，決定激光熔覆宏觀、微觀質(zhì)量的因素主要是激光參數(shù)、材料特性、加工工藝及環(huán)境條件；激光束、粉末和基體之間的相互作用時(shí)間等。一個(gè)良好的熔覆層應(yīng)該具有較低的稀釋率，無開裂、無氣孔、無夾渣、使用時(shí)無脫落，熔覆層與基體呈冶金結(jié)合，性能均勻，外觀平整，能滿足預(yù)定的使用性能要求，如：耐磨、耐腐蝕、抗氧化、高硬度、高強(qiáng)度等。國內(nèi)外學(xué)者圍繞熔覆層質(zhì)量做了大量工作，并取得很大的進(jìn)展。

激光熔覆技術(shù)修復(fù)磨損模具及工件

在航空工業(yè)是最先吸取激光熔覆的優(yōu)點(diǎn)用于生產(chǎn)的部門，因?yàn)樗粌H能用于加工零部件，而且能用于修理零部件。第一個(gè)激光表面熔覆應(yīng)用在1981年Rolls-Royce的RB211飛機(jī)發(fā)動機(jī)高壓葉片連鎖。航空發(fā)動機(jī)鈦合金和鎳合金摩擦副的接觸磨損是發(fā)動機(jī)使用和維修中的一大難題，通過激光熔覆技術(shù)則可獲得優(yōu)質(zhì)的涂層，為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)零部件的修復(fù)開創(chuàng)一個(gè)新的局面。如針對航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子部件，航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片葉尖鎖口部位的實(shí)際使用情況，研究了激光表面熔覆高溫耐磨涂層的激光噴涂技術(shù)，提高了合金基體耐高溫及抗腐蝕性能。再者通過利用激光熔覆技術(shù)熔覆鈷基合金，提高了耐熱和耐磨性能。

經(jīng)過激光熔覆修復(fù)的航空發(fā)動機(jī)葉片

齒輪軸激光熔覆修復(fù)

激光近形制造技術(shù)

激光近形制造是基于局域送粉的金屬零件快速制造方法，它是在激光涂覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。激光涂覆的目的是通過在被加工工件的表面熔覆功能層來提高工件的耐磨性和抗腐蝕能力，常用于零件或者模具的修復(fù)。為了實(shí)現(xiàn)修復(fù)，補(bǔ)充缺損的材料，常常進(jìn)行多層加工，在此基礎(chǔ)上形成了激光生長技術(shù)。

激光近形制造技術(shù)

激光近形制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用直接體現(xiàn)在航空用鈦合金結(jié)構(gòu)件的直接制造以及航空發(fā)動機(jī)零件的快速修復(fù)方面。在四代機(jī)F-22中鈦合金結(jié)構(gòu)件用量占機(jī)身結(jié)構(gòu)重量的41%，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)中鈦合金占發(fā)動機(jī)重量25%-40%。鈦合金用量的高低已經(jīng)成為衡量飛機(jī)、發(fā)動機(jī)等國防裝備先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。由于大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的傳統(tǒng)制造方法具有成本高、鍛造模具準(zhǔn)備時(shí)間長、大型以及超大型工業(yè)設(shè)施匱乏、數(shù)控加工設(shè)備稀缺、機(jī)械加工量大、材料利用率低等弱勢，采用激光近形制造技術(shù)直接制造大型鈦合金結(jié)構(gòu)件顯示了巨大的優(yōu)勢。

激光近形制造技術(shù)制造的戰(zhàn)機(jī)外掛架艙壁

在航空發(fā)動機(jī)零件的快速修復(fù)方面LENS技術(shù)也發(fā)揮了極大的優(yōu)勢。例如美軍為了取得軍事上的優(yōu)勢在惡劣的沙漠環(huán)境中使用T700黑鷹直升機(jī)，由于發(fā)動機(jī)上很多帶葉片的葉輪受到沙粒侵蝕，使直升機(jī)的飛行壽命銳減。葉輪的侵蝕不僅減小了發(fā)動機(jī)的飛行壽命，還導(dǎo)致燃料損耗增加、馬達(dá)動力減弱、工作溫度升高以及壓氣機(jī)和渦輪零部件的損害。如果更換整個(gè)葉輪，成本將非常昂貴。美軍引入了LENS技術(shù)對破損的零部件進(jìn)行修復(fù)。

激光近形制造技術(shù)修復(fù)的葉輪上的葉片

激光航空儀表裝置中的應(yīng)用

1.激光測距

利用激光極好的方向性、高強(qiáng)度，可以制成激光測距儀、激光雷達(dá)等。它測量目標(biāo)的距離、方位和速度非常精確，比普通微波雷達(dá)高的多。

激光測距原理

用機(jī)載激光測距系統(tǒng)來測定沿海水深，不僅速度快，而且可對船舶不易接近的水域進(jìn)行測量；激光測云儀，可精密測量云層的分布，這對氣象研究有重要意義。

激光測距

2.激光陀螺

激光陀螺是測定物體轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動角度的一種儀器，是導(dǎo)航和制導(dǎo)的關(guān)鍵設(shè)備。激光陀螺的發(fā)展已有二十幾年，正日趨成熟，在各種慣性制導(dǎo)和導(dǎo)航領(lǐng)域中都可以應(yīng)用。

激光陀螺內(nèi)部

目前世界上已有美、英、法、德等國家的數(shù)十家公司在研制開發(fā)。僅美國研制激光陀螺的公司就有十多家。

民航是激光陀螺應(yīng)用的大戶。1982年美國的霍尼韋爾公司首創(chuàng)的ARINO704激光陀螺慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)入航線使用。1986年該公司已交付24套激光陀螺慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)，應(yīng)用在波音757、767、737等機(jī)型上。除了導(dǎo)航外，激光陀螺還可應(yīng)用于精密測量、姿態(tài)控制、定位等民用領(lǐng)域。

激光陀螺

3.激光準(zhǔn)直

由于激光具有良好的單色性、方向性及高強(qiáng)度，加上裝置得到結(jié)構(gòu)簡單，因此在各種工程中廣泛地當(dāng)作基準(zhǔn)線使用。

目前激光準(zhǔn)直大都采用氦氖激光器，它發(fā)出紅光束，很容易觀察，并能在相當(dāng)大的距離內(nèi)工作。在航空工業(yè)中，激光準(zhǔn)直除了飛機(jī)型架的安裝外，還可以用于飛機(jī)的水平測量，如用來測量機(jī)翼的安裝角、上反角及舵面的偏轉(zhuǎn)角，襟翼或副翼的偏轉(zhuǎn)角；測量機(jī)身各段和發(fā)動機(jī)的同軸性等。