激光焊接技术助阵航空制造业 为飞行器披上战衣

    轻量化、超声速巡航、优良的隐身性能、长使用寿命、高可靠及低成本已经成为当前世界航空航天飞行器结构设计与制造的重要发展趋势。整体化设计与制造的蒙皮类、型腔类及壁板类结构是航空航天飞行器“金属外衣”的主要结构形式，并对飞行器的机动性能、气动性能、隐身性能及使用寿命等产生重要的影响。先进的特种焊接技术是航空航天飞行器结构的主要制造技术之一，包括电弧焊接技术、电子束焊接技术、激光焊接技术、摩擦焊接技术等。其中，激光焊接技术在以“大尺寸、薄壁结构、复杂型面”为特征的蒙皮类、型腔类及壁板类结构的整体化焊接制造方面具有独特的优势，成为当代航空航天飞行器“金属外衣”整体化制造的关键技术。

    激光焊接技术，在突破了以“匙孔”吸收为特征的激光深熔焊接技术后，激光光束能量密度高达106W/cm2以上，其焊接热输入低、焊接速度快、焊缝和热影响区窄、焊接变形小、对母材热损伤小、可以在惰性气体保护气氛环境中进行焊接；并且波长为1.06μm的Nd:YAG激光还可以采用柔性光纤传输，配以可灵活操作的机械手，为实现空间曲线焊缝的自动焊接提供了可能。

    欧美等国在上世纪80年代末至90年代初，就开始将激光焊接技术大量应用于航空航天飞行器制造。其应用主要集中在零件级别的以焊代铆和零件之间的以小拼大两个方面，即蒙皮类、型腔类及壁板类结构的对接拼焊，涉及的金属材料主要包括钛合金、镍基和铁基高温合金等。

    然而，由于国内缺少大功率与高光束品质激光器件等因素，我国在激光焊接技术研究和应用方面起步较晚。1995年，在中航工业制造所关桥院士的积极呼吁下，我国依托中航工业制造所，建立了高能束流加工技术重点实验室，专门从事高能束流加工技术研发及装备研制工作，其中激光焊接技术是实验室重点研究和应用方向之一。通过从国内相关单位引进激光器件，自主设计与配套相关装备，实验室迅速开展了激光焊接工艺可行性研究，以及航空航天飞行器常用金属材料激光焊接特性基础研究等工作。

    为克服单一激光焊接对零件装配精度要求过高，在高功率、高速度焊接条件下易于产生气孔、咬边等各种焊接缺陷，以及某些高反射率金属材料焊接时存在困难等问题，在激光电弧复合焊接技术方面，实验室也开展了系统的研究工作。如采用激光与激光复合方式的多光点激光焊接技术、连续激光/脉冲激光焊接技术，采用激光与外部热源复合方式的激光/TIG焊接技术、激光/MIG焊接技术、激光/PLASMA焊接技术、激光/电磁感应加热焊接技术，采用激光与填加材料复合方式的激光填丝焊接技术、激光填粉焊接技术、活性剂激光焊接技术，以及上述各种焊接技术的复合等。通过适当扩大激光热源的作用范围、引入外部热源，以及在焊接过程中填加合适的材料等方式，激光复合焊接技术利用热源之间、热源与材料之间的“增强互动”效应，克服了单一激光焊接存在的固有缺陷，进一步优化和完善了激光焊接技术工艺体系，为激光焊缝的控形与控性提供了更灵活多样的技术手段。

   进入21世纪，双光束激光焊接技术的应用为世界航空制造业带来了一次伟大的技术变革。为解决壁板结构蒙皮与加强筋之间T型接头的焊接问题，该技术采用两束激光对壁板结构T型接头两侧同步施焊，完成蒙皮与加强筋之间的连接。双光束激光焊接技术由于采用了对称的焊接热源，从T型接头两侧同步施焊，最大程度地减小焊接产生的变形，保证蒙皮外型面的形状精度。因此，双光束激光焊接技术在国外航空制造领域迅速得到了应用。空客公司在以A380为代表的系列机型上均大量采用了双光束激光焊接的铝合金整体壁板，即采用双光束激光焊接技术将6013 T6铝合金机身蒙皮与6013 T6511铝合金加强筋焊接成为整体机身壁板，取代原有的铆接密封壁板，强度提高近20%，结构重量减轻近20%，成本降低25%。双光束激光焊接技术的这些应用使焊接技术成功地实现了从零件级到部件级，甚至部件间连接的质的跨越，这被认为是航空制造业的一次伟大的技术变革。

    紧跟国外激光焊接技术研究和应用的发展，中航工业制造所高能束流加工技术重点实验室组建了一支团结协作、激情进取、求实创新的精英团队，先后建立了10kW光纤激光和3kW YAG激光以及4kW CO2激光焊接系统，以整体化焊接的钛合金、铝合金蒙皮类、型腔类及壁板类结构为研究对象，先后开展了激光深熔焊接技术、各种激光复合焊接技术，以及双光束激光焊接技术等的基础与应用研究，并成功地将活性剂激光焊接技术应用于飞机钛合金蒙皮类和型腔类结构的对接拼焊。双光束激光焊接技术研究也获得重大突破，并应用于飞机钛合金壁板类结构蒙皮与加强筋之间的整体化焊接（如图所示）。今天的高能束流加工技术重点实验室的激光焊接技术无论在研发平台还是在技术水平方面都站在了国际最前沿。

    随着技术的更新与发展，激光焊接已不再是一种单纯意义上的加工制造技术，已发展成为激光能量场与品质、材料冶金、结构力学、自动化、计算机等多学科集成的工程制造技术，显现出极高的技术附加值。激光焊接技术的发展方向更趋于加工过程的自动化和智能化、复合束源和集成化，并向着高品质、高功率、高效率、多功能和结构功能一体化方向发展，同时随着其在航空领域及其他领域的应用愈加广泛和成熟，激光焊接技术必将成为我国航空事业和其它军工领域传统制造业改造升级不可或缺的重要技术。--转自光粒网