鈦合金雙向加筋壁板結構雙光束激光焊接

輕量化、超聲速巡航、優(yōu)良的隱身性能、長使用壽命、高可靠及低成本已經成為當前世界航空航天飛行器結構設計與制造的重要發(fā)展趨勢。整體化設計與制造的蒙皮類、型腔類及壁板類結構是航空航天飛行器“金屬外衣”的主要結構形式，并對飛行器的機動性能、氣動性能、隱身性能及使用壽命等產生重要的影響。先進的特種焊接技術是航空航天飛行器結構的主要制造技術之一，包括電弧焊接技術、電子束焊接技術、激光焊接技術、摩擦焊接技術等。其中，激光焊接技術在以“大尺寸、薄壁結構、復雜型面”為特征的蒙皮類、型腔類及壁板類結構的整體化焊接制造方面具有獨特的優(yōu)勢，成為當代航空航天飛行器“金屬外衣”整體化制造的關鍵技術。

激光焊接技術，在突破了以“匙孔”吸收為特征的激光深熔焊接技術后，激光光束能量密度高達10^6W/cm^2以上，其焊接熱輸入低、焊接速度快、焊縫和熱影響區(qū)窄、焊接變形小、對母材熱損傷小、可以在惰性氣體保護氣氛環(huán)境中進行焊接；并且波長為1.06μm的Nd:YAG激光還可以采用柔性光纖傳輸，配以可靈活操作的機械手，為實現空間曲線焊縫的自動焊接提供了可能。

歐美等國在上世紀80年代末至90年代初，就開始將激光焊接技術大量應用于航空航天飛行器制造。其應用主要集中在零件級別的以焊代鉚和零件之間的以小拼大兩個方面，即蒙皮類、型腔類及壁板類結構的對接拼焊，涉及的金屬材料主要包括鈦合金、鎳基和鐵基高溫合金等。

然而，由于國內缺少大功率與高光束品質激光器件等因素，我國在激光焊接技術研究和應用方面起步較晚。1995年，在中航工業(yè)制造所關橋院士的積極呼吁下，我國依托中航工業(yè)制造所，建立了高能束流加工技術重點實驗室，專門從事高能束流加工技術研發(fā)及裝備研制工作，其中激光焊接技術是實驗室重點研究和應用方向之一。通過從國內相關單位引進激光器件，自主設計與配套相關裝備，實驗室迅速開展了激光焊接工藝可行性研究，以及航空航天飛行器常用金屬材料激光焊接特性基礎研究等工作。為克服單一激光焊接對零件裝配精度要求過高，在高功率、高速度焊接條件下易于產生氣孔、咬邊等各種焊接缺陷，以及某些高反射率金屬材料焊接時存在困難等問題，在激光電弧復合焊接技術方面，實驗室也開展了系統(tǒng)的研究工作。如采用激光與激光復合方式的多光點激光焊接技術、連續(xù)激光/脈沖激光焊接技術，采用激光與外部熱源復合方式的激光/TIG焊接技術、激光/MIG焊接技術、激光/PLASMA焊接技術、激光/電磁感應加熱焊接技術，采用激光與填加材料復合方式的激光填絲焊接技術、激光填粉焊接技術、活性劑激光焊接技術，以及上述各種焊接技術的復合等。通過適當擴大激光熱源的作用范圍、引入外部熱源，以及在焊接過程中填加合適的材料等方式，激光復合焊接技術利用熱源之間、熱源與材料之間的“增強互動”效應，克服了單一激光焊接存在的固有缺陷，進一步優(yōu)化和完善了激光焊接技術工藝體系，為激光焊縫的控形與控性提供了更靈活多樣的技術手段。

     進入21世紀，雙光束激光焊接技術的應用為世界航空制造業(yè)帶來了一次偉大的技術變革。為解決壁板結構蒙皮與加強筋之間T型接頭的焊接問題，該技術采用兩束激光對壁板結構T型接頭兩側同步施焊，完成蒙皮與加強筋之間的連接。雙光束激光焊接技術由于采用了對稱的焊接熱源，從T型接頭兩側同步施焊，最大程度地減小焊接產生的變形，保證蒙皮外型面的形狀精度。因此，雙光束激光焊接技術在國外航空制造領域迅速得到了應用?？湛凸驹谝訟380為代表的系列機型上均大量采用了雙光束激光焊接的鋁合金整體壁板，即采用雙光束激光焊接技術將6013 T6鋁合金機身蒙皮與6013 T6511鋁合金加強筋焊接成為整體機身壁板，取代原有的鉚接密封壁板，強度提高近20%，結構重量減輕近20%，成本降低25%。雙光束激光焊接技術的這些應用使焊接技術成功地實現了從零件級到部件級，甚至部件間連接的質的跨越，這被認為是航空制造業(yè)的一次偉大的技術變革。

      緊跟國外激光焊接技術研究和應用的發(fā)展，中航工業(yè)制造所高能束流加工技術重點實驗室組建了一支團結協(xié)作、激情進取、求實創(chuàng)新的精英團隊，先后建立了10kW光纖激光和3kW YAG激光以及4kW CO2激光焊接系統(tǒng)，以整體化焊接的鈦合金、鋁合金蒙皮類、型腔類及壁板類結構為研究對象，先后開展了激光深熔焊接技術、各種激光復合焊接技術，以及雙光束激光焊接技術等的基礎與應用研究，并成功地將活性劑激光焊接技術應用于飛機鈦合金蒙皮類和型腔類結構的對接拼焊。雙光束激光焊接技術研究也獲得重大突破，并應用于飛機鈦合金壁板類結構蒙皮與加強筋之間的整體化焊接（如圖所示）。今天的高能束流加工技術重點實驗室的激光焊接技術無論在研發(fā)平臺還是在技術水平方面都站在了國際最前沿。

     隨著技術的更新與發(fā)展，激光焊接已不再是一種單純意義上的加工制造技術，已發(fā)展成為激光能量場與品質、材料冶金、結構力學、自動化、計算機等多學科集成的工程制造技術，顯現出極高的技術附加值。激光焊接技術的發(fā)展方向更趨于加工過程的自動化和智能化、復合束源和集成化，并向著高品質、高功率、高效率、多功能和結構功能一體化方向發(fā)展，同時隨著其在航空領域及其他領域的應用愈加廣泛和成熟，激光焊接技術必將成為我國航空事業(yè)和其它軍工領域傳統(tǒng)制造業(yè)改造升級不可或缺的重要技術。