激光加工技術(shù)在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)各大部件中典型應(yīng)用

激光加工技術(shù)發(fā)展歷程圖

激光與普通光相比最突出的特性是單色性、方向性好，相干性和亮度高。其中，相干性是指光在時(shí)間、空間上兩個(gè)光波場(chǎng)的相關(guān)程度。激光另外一個(gè)特點(diǎn)是瞬時(shí)性，通過(guò)調(diào)Q、鎖模等脈沖壓縮技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)激光脈沖持續(xù)時(shí)間僅為ns（10^-9s）、ps（10^-12s）甚至fs（10^-15s）。

自上世紀(jì)60年代初第一臺(tái)激光器誕生以來(lái)，伴隨著人類對(duì)激光特性、激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理等理論研究的不斷深入，以及各種高性能、高效率激光器件的不斷涌現(xiàn)，在以航空航天行業(yè)為代表的各類軍用和民用產(chǎn)品對(duì)高質(zhì)量、低成本、綠色制造技術(shù)需求的牽引下，激光加工技術(shù)研究與應(yīng)用日趨廣泛而深入，并逐漸成為引領(lǐng)各行業(yè)制造技術(shù)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力之一。

激光加工技術(shù)充分利用了激光好的方向性、高亮度和瞬時(shí)性，是以激光作為加工熱源的一種特種加工技術(shù)，包括激光焊接、激光切割、激光制孔、激光表面處理、激光增量制造及激光微納加工。由于激光具有良好的單色性、方向性、相干性，以及高亮度等特性，激光加工在許多方面具有其他加工方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)接觸、無(wú)“切削力”加工，高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)材料加工，高靈活性、高可控性加工，高精度、高質(zhì)量、高效率加工等。經(jīng)過(guò)近幾十年的不斷發(fā)展，激光技工技術(shù)已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)完善的技術(shù)群（如圖1所示），包括焊接、切割、制孔、標(biāo)記、雕刻、熔覆、表面熱處理、合金化、清洗、沖擊強(qiáng)化、增材制造及激光微納加工等。

激光加工技術(shù)是推動(dòng)以航空、航天飛行器為代表的運(yùn)載工具向高性能、輕量化、長(zhǎng)壽命、短周期、低成本等方向發(fā)展的關(guān)鍵制造技術(shù)。尤其在航空工業(yè)，激光加工技術(shù)極大地促進(jìn)了航空制造技術(shù)的跨越發(fā)展（見圖2）。高效率激光制孔技術(shù)的成功開發(fā)及成熟應(yīng)用，使在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件設(shè)計(jì)大量氣膜冷卻小孔成為可能。據(jù)報(bào)道，每臺(tái)現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣膜孔平均數(shù)量超過(guò)10萬(wàn)個(gè)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界每年有約10億個(gè)氣膜孔需要加工。正是發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件氣膜孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及成功應(yīng)用，最能體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的渦輪前工作溫度可以提高400℃以上。激光制孔極具潛力的應(yīng)用是在飛機(jī)機(jī)翼、垂尾、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等表面加工密集微孔，例如，美國(guó)曾在F-16XL機(jī)翼上采用激光加工千萬(wàn)數(shù)量級(jí)的50μm微孔，孔間距0.5mm，用于吸氣，以使機(jī)翼保持為層流而非湍流，風(fēng)洞試驗(yàn)表明可以減小飛行阻力15%。

發(fā)動(dòng)機(jī)的大修、維護(hù)，對(duì)提高工作壽命、降低運(yùn)行成本的作用是顯而易見的。激光熔覆技術(shù)已用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、壓氣機(jī)機(jī)匣、軸類零件、封嚴(yán)結(jié)構(gòu)以及最能代表當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)性的整體葉盤的熔覆修復(fù)，與弧焊方式相比，效率提高至少4倍以上，而且產(chǎn)生更小的熱影響，性能明顯提高。

歐洲《航空航天制造》雜志一篇題為“激光加工將引起復(fù)合材料的又一次革命”的文章中為激光切割應(yīng)用于飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件展示了美好的前景。碳纖維復(fù)合材料由于高熱傳導(dǎo)率等特點(diǎn)，機(jī)械銑削和鉆孔會(huì)造成熱損傷、碎屑、分層和刀具磨損。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，激光切割由于非接觸加工的特點(diǎn)，采用單模光纖激光高速切割僅產(chǎn)生非常小熱損傷，可以得到高質(zhì)量的切口邊緣，很好地解決了機(jī)械切削帶來(lái)的問(wèn)題。

我國(guó)激光加工技術(shù)在航空工業(yè)研發(fā)、應(yīng)用起步并不晚。中航工業(yè)制造所早在1968年就開始跟蹤并研發(fā)激光打孔技術(shù)，經(jīng)過(guò)近20年的工藝及設(shè)備開發(fā)，終于在上世紀(jì)80年代成功將其用于正在研制的發(fā)動(dòng)機(jī)I級(jí)工作葉片氣膜冷卻孔加工，葉片的降溫效果在200℃以上，發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，為該型發(fā)動(dòng)機(jī)研制作出了巨大貢獻(xiàn)。上世紀(jì)90年代，利用激光技術(shù)的最新成果，制造所研制成功了六軸數(shù)控毫秒脈沖YAG激光加工小孔專用設(shè)備并開發(fā)的高壓吹氧YAG激光旋切加工工藝，使加工小孔效率提高了數(shù)十倍，小孔質(zhì)量顯著提高。在制造所激光加工小孔技術(shù)研究及應(yīng)用的牽引、推動(dòng)下，激光加工小孔技術(shù)在航空工業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，制造所開發(fā)的多軸數(shù)控激光制孔設(shè)備也已經(jīng)成功推廣應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠。

進(jìn)入21世紀(jì)，以中航工業(yè)制造所為代表的科研單位，通過(guò)研發(fā)、攻關(guān)，激光焊接、沖擊強(qiáng)化、增材制造（3D打?。?、熔覆修復(fù)等技術(shù)都已在航空制造中得到應(yīng)用。例如，制造所緊跟國(guó)外激光焊接技術(shù)的前沿動(dòng)態(tài)，突破了活性劑激光焊接、激光/MIG/等離子復(fù)合焊接、雙光束激光填絲焊接等關(guān)鍵技術(shù)，在自主開發(fā)、集成激光焊接設(shè)備基礎(chǔ)上，在我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)激光焊接在新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)制造中的工程應(yīng)用；激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)雖然起步較晚，始于上世紀(jì)90年代末，但是經(jīng)過(guò)制造所研發(fā)團(tuán)隊(duì)的不懈努力，成功研發(fā)出具有自主知識(shí)的激光沖擊強(qiáng)化專用激光器、裝備及工藝，使該技術(shù)成功用于高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。

制造世界一流航空飛行器及動(dòng)力裝置是中國(guó)航空人的“中國(guó)夢(mèng)”。實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，航空制造技術(shù)的創(chuàng)新跨越發(fā)展是關(guān)鍵，而激光加工技術(shù)就是航空制造跨越發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。