5月5日，由中国自主研制的新一代喷气式大型客机C919在上海浦东国际机场实现了成功首飞。这标志着萦绕中华民族百年的“大飞机梦”终于取得历史性突破，蓝天上终于翱翔了一款属于中国的完全按照世界先进标准研制的大型客机。
激光技术——作为现今全球范围内最先进的制造加工技术之一，无疑在航空航天领域内发挥了重要的作用，无论从飞机机身到飞机构件再到各式各样材料的加工，都能寻到激光技术的身影。结合C919，本文主要盘点一下形形色色的激光技术和工艺在航空航天领域的应用。
最快的刀：激光切割航空材料及部件优势尽显
由于激光技术相较传统切割方式彰显出众多优势，例如激光光斑小、能量密度高、切割速度快、热变形小、精度高、灵活性强、噪音小、切割品质佳、生产效率高以及能够省去大型磨具的应用等等，近年来，这把“最快的刀”已被广泛应用于航空制造领域中。
例如，激光可切割一系列高硬度、高熔点的金属及非金属的特种航空材料，其中包括钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。而在航空设备的制造流程中，激光切割适用于加工的零部件也是不计其数：发动机火焰筒、发动机机匣、飞机框架、飞机蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、蜂窝结构、直升机主旋翼……
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的加工。
无痕，快速，灵活——激光焊接有话说
焊接输入热量可控，零件焊后变形率最小；无电极污染或受损的隐患，机具耗损及变形率最低；焊接不受距离限制，可实现自动化高速焊接；激光束不受磁场干扰，焊接精度高；无需真空，也不需做射线防护……仅仅是以上罗列的这些裨益，便不难发现激光焊接在飞机制造中的用武之地究竟有多大了。
激光焊接应用最广的是薄壁结构的焊接，在航空结构中较典型的是欧洲空客系列客机的铝合金机身下壁板，这种以焊代铆结构能够将飞机机身重量减轻约20%，制造成本降低近20%。例如以A380为例，其机身壁板所采用的6056/6013激光焊接结构设计，鉴于省去了加筋条用于与蒙皮连接的弯边，减少了5%-10%的结构重量，同时降低了约15%的成本。
让我们把目光再次转向C919飞机。据悉此次，哈尔滨工业大学为C919大飞机的“起飞”也做出了重要贡献：其中包括C919飞机中央翼复合材料后梁大开口补强设计技术研究、C919大飞机铝合金机身激光焊接技术及装备研究。追溯到2011年，由哈工大先进焊接与连接国家重点实验室主任陈彦宾教授率领的研发团队与上飞公司合作承担了“双束光纤激光焊接铝合金机身壁板工艺及装备技术”研制任务。
经过近四年的潜心钻研，最终突破了铝锂合金双侧光纤激光同步高速焊接工艺、双机器人协调控制、空间焊接轨迹离线编程、大型龙门高速运动精度控制等关键技术，研制出首台集成多轴数控与机器人组联动的双光纤激光焊接装备，并于2015年底交付中国商飞上飞公司。
激光熔覆: 完美的修复利器
激光熔覆技术，是通过高能密度的激光束辐照作用，使预置的添加材料熔化在基材表面形成牢固的涂覆层，从而彻底改变材料表面性能的技术。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。
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目的。修复后的工件大部分与原工件性能相当，甚至超过原工件的使用寿命。
例如，美国NASA Marshell航天中心对涡轮叶片的修复和强化进行了研究，使用激光表面熔覆的方法对磨损部位进行修复后，覆层组织致密均匀、无气孔，与原材料为冶金结合。覆层厚度达0.6mm以上，试飞60小时后，发动机性能良好。不但节约了成本而且缩短了加工周期，具有显著的经济效益。除此之外，激光熔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。
激光增材制造功不可没
如今，增材制造（俗称3D打印）俨然已不是一个新鲜词儿了，并且在各行各业的应用日益广泛。随着航空航天飞行器愈发先进，对其结构件相应也提出了更多更高的要求，如轻量化、寿命长、高可靠性以及结构功能一体化等。在这种情况下，增材制造技术便是一帖“灵丹妙药”。
增材制造在航空领域的应用主要涵盖以下几个方面：大型整体结构件、承力结构件的加工，旨在缩短加工周期、降低加工成本、优化结构设计、减轻结构重量，节省高昂的航空材料用量；加工形状复杂的功能性部件，突破传统加工技术带来的设计约束；通过激光组合制造技术改造传统制造工艺，实现复合加工。
据悉，一架大型飞机约有400万个零部件，而本次首飞的C919大型客机的部分零件便采用了当前广受追捧的3D打印技术。来自中航工业的资料显示，自2001年起，我国就开始重点发展以钛合金构件激光快速成型技术为主的激光3D打印技术。C919客机的中央翼条长达3米，属于大型钛合金构件，3D打印技术的引入直接解决了C919飞机钛合金结构件的制造瓶颈，摆脱了传统模具制造研发周期长的关键技术挑战，具有划时代的意义。
通常，航空航天零部件结构复杂、制造成本高昂，一旦出现瑕疵或缺损，只能整体更换，动辄便会造成数十万、甚至上百万元的损失。然而，采用3D打印技术，能够使用同种材料修补缺损部位，零部件修复后的性能不受影响，显著减少时间和金钱的支出；同时，体现增材制造原理的3D打印工艺也能将原材料的利用率提高达90%以上。
据了解，这架C919国产大型飞机便借助该技术打造了一系列用于飞机主风挡窗框、机翼、机体衔接部位的钛合金零件。
另外，库卡工业（KUKA Industries）当前正参与了一项由德国联邦教育和研究部（BMBF）发起的新研究项目，该项目称为ProLMD，旨在使用激光金属沉积（LMD）工艺为航空和汽车行业制造具有成本效益的高性能金属部件。这家全球知名的机器人公司正与MTU、空客、戴姆勒、BCT、MBraun、Laserline和弗劳恩霍夫激光技术研究所等合作伙伴携手。项目合作伙伴期望通过将各种材料应用于积累率为1kg / h至2kg / h的复杂表面后，能够实现高达15%的成本节约。
当然，以上只是激光技术在航空航天世界里应用的冰山一角，其它如激光近形制造、激光冲击强化、激光打孔打标等技术也在飞机制造中得到深入的应用。而未来，还有更多更多的新技术、新工艺、新领域和新应用等待着我们去开发、去挖掘。
转载请注明出处。
相关文章
热门资讯
精彩导读
关注我们
