5月5日，由中國自主研制的新一代噴氣式大型客機(jī)C919在上海浦東國際機(jī)場實(shí)現(xiàn)了成功首飛。這標(biāo)志著縈繞中華民族百年的“大飛機(jī)夢”終于取得歷史性突破，藍(lán)天上終于翱翔了一款屬于中國的完全按照世界先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)研制的大型客機(jī)。
激光技術(shù)——作為現(xiàn)今全球范圍內(nèi)最先進(jìn)的制造加工技術(shù)之一，無疑在航空航天領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮了重要的作用，無論從飛機(jī)機(jī)身到飛機(jī)構(gòu)件再到各式各樣材料的加工，都能尋到激光技術(shù)的身影。結(jié)合C919，本文主要盤點(diǎn)一下形形色色的激光技術(shù)和工藝在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。
最快的刀：激光切割航空材料及部件優(yōu)勢盡顯
由于激光技術(shù)相較傳統(tǒng)切割方式彰顯出眾多優(yōu)勢，例如激光光斑小、能量密度高、切割速度快、熱變形小、精度高、靈活性強(qiáng)、噪音小、切割品質(zhì)佳、生產(chǎn)效率高以及能夠省去大型磨具的應(yīng)用等等，近年來，這把“最快的刀”已被廣泛應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域中。
例如，激光可切割一系列高硬度、高熔點(diǎn)的金屬及非金屬的特種航空材料，其中包括鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不銹鋼、氧化鈹、復(fù)合材料、塑料、陶瓷及石英等。而在航空設(shè)備的制造流程中，激光切割適用于加工的零部件也是不計(jì)其數(shù)：發(fā)動機(jī)火焰筒、發(fā)動機(jī)機(jī)匣、飛機(jī)框架、飛機(jī)蒙皮、機(jī)翼長桁、尾翼壁板、蜂窩結(jié)構(gòu)、直升機(jī)主旋翼……
現(xiàn)在典型的飛機(jī)零部件大量采用鋁合金、鈦合金、耐高溫合金等特種合金，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，成形要求精確，而大功率激光切割機(jī)加工技術(shù)的引進(jìn)，能提高加工的質(zhì)量，降低模具投資成本，縮短生產(chǎn)周期，特別適用于復(fù)雜零配件的加工。
無痕，快速，靈活——激光焊接有話說
焊接輸入熱量可控，零件焊后變形率最小；無電極污染或受損的隱患，機(jī)具耗損及變形率最低；焊接不受距離限制，可實(shí)現(xiàn)自動化高速焊接；激光束不受磁場干擾，焊接精度高；無需真空，也不需做射線防護(hù)……僅僅是以上羅列的這些裨益，便不難發(fā)現(xiàn)激光焊接在飛機(jī)制造中的用武之地究竟有多大了。
激光焊接應(yīng)用最廣的是薄壁結(jié)構(gòu)的焊接，在航空結(jié)構(gòu)中較典型的是歐洲空客系列客機(jī)的鋁合金機(jī)身下壁板，這種以焊代鉚結(jié)構(gòu)能夠?qū)w機(jī)機(jī)身重量減輕約20%，制造成本降低近20%。例如以A380為例，其機(jī)身壁板所采用的6056/6013激光焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鑒于省去了加筋條用于與蒙皮連接的彎邊，減少了5%-10%的結(jié)構(gòu)重量，同時(shí)降低了約15%的成本。
讓我們把目光再次轉(zhuǎn)向C919飛機(jī)。據(jù)悉此次，哈爾濱工業(yè)大學(xué)為C919大飛機(jī)的“起飛”也做出了重要貢獻(xiàn)：其中包括C919飛機(jī)中央翼復(fù)合材料后梁大開口補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究、C919大飛機(jī)鋁合金機(jī)身激光焊接技術(shù)及裝備研究。追溯到2011年，由哈工大先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任陳彥賓教授率領(lǐng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)與上飛公司合作承擔(dān)了“雙束光纖激光焊接鋁合金機(jī)身壁板工藝及裝備技術(shù)”研制任務(wù)。
經(jīng)過近四年的潛心鉆研，最終突破了鋁鋰合金雙側(cè)光纖激光同步高速焊接工藝、雙機(jī)器人協(xié)調(diào)控制、空間焊接軌跡離線編程、大型龍門高速運(yùn)動精度控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制出首臺集成多軸數(shù)控與機(jī)器人組聯(lián)動的雙光纖激光焊接裝備，并于2015年底交付中國商飛上飛公司。
激光熔覆: 完美的修復(fù)利器
激光熔覆技術(shù)，是通過高能密度的激光束輻照作用，使預(yù)置的添加材料熔化在基材表面形成牢固的涂覆層，從而徹底改變材料表面性能的技術(shù)。該技術(shù)集快速原型制造技術(shù)及激光熔覆表面改性技術(shù)于一體，可實(shí)現(xiàn)三維金屬零件的修復(fù)。
在航空領(lǐng)域，航空發(fā)動機(jī)的備件價(jià)格很高，因而在很多情況下維修零件是比較劃算的，但是修復(fù)后零件的質(zhì)量必須滿足安全要求。例如，飛機(jī)螺旋槳葉片表面上出現(xiàn)損傷時(shí)，必須通過一些表面處理技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。除了考慮螺旋槳葉片所要求的高強(qiáng)度、高耐疲勞性，還必須考慮表面修復(fù)后的耐腐蝕性，激光熔覆技術(shù)正好可以很好地應(yīng)用于此目的。修復(fù)后的工件大部分與原工件性能相當(dāng)，甚至超過原工件的使用壽命。
例如，美國NASA Marshell航天中心對渦輪葉片的修復(fù)和強(qiáng)化進(jìn)行了研究，使用激光表面熔覆的方法對磨損部位進(jìn)行修復(fù)后，覆層組織致密均勻、無氣孔，與原材料為冶金結(jié)合。覆層厚度達(dá)0.6mm以上，試飛60小時(shí)后，發(fā)動機(jī)性能良好。不但節(jié)約了成本而且縮短了加工周期，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。除此之外，激光熔覆技術(shù)還可在渦輪機(jī)葉片、殼體結(jié)合部件、閥體部件等零部件的修復(fù)上得到應(yīng)用。
激光增材制造功不可沒
如今，增材制造（俗稱3D打印）儼然已不是一個(gè)新鮮詞兒了，并且在各行各業(yè)的應(yīng)用日益廣泛。隨著航空航天飛行器愈發(fā)先進(jìn)，對其結(jié)構(gòu)件相應(yīng)也提出了更多更高的要求，如輕量化、壽命長、高可靠性以及結(jié)構(gòu)功能一體化等。在這種情況下，增材制造技術(shù)便是一帖“靈丹妙藥”。
增材制造在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要涵蓋以下幾個(gè)方面：大型整體結(jié)構(gòu)件、承力結(jié)構(gòu)件的加工，旨在縮短加工周期、降低加工成本、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省高昂的航空材料用量；加工形狀復(fù)雜的功能性部件，突破傳統(tǒng)加工技術(shù)帶來的設(shè)計(jì)約束；通過激光組合制造技術(shù)改造傳統(tǒng)制造工藝，實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工。
據(jù)悉，一架大型飛機(jī)約有400萬個(gè)零部件，而本次首飛的C919大型客機(jī)的部分零件便采用了當(dāng)前廣受追捧的3D打印技術(shù)。來自中航工業(yè)的資料顯示，自2001年起，我國就開始重點(diǎn)發(fā)展以鈦合金構(gòu)件激光快速成型技術(shù)為主的激光3D打印技術(shù)。C919客機(jī)的中央翼?xiàng)l長達(dá)3米，屬于大型鈦合金構(gòu)件，3D打印技術(shù)的引入直接解決了C919飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件的制造瓶頸，擺脫了傳統(tǒng)模具制造研發(fā)周期長的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，具有劃時(shí)代的意義。
通常，航空航天零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體更換，動輒便會造成數(shù)十萬、甚至上百萬元的損失。然而，采用3D打印技術(shù)，能夠使用同種材料修補(bǔ)缺損部位，零部件修復(fù)后的性能不受影響，顯著減少時(shí)間和金錢的支出；同時(shí)，體現(xiàn)增材制造原理的3D打印工藝也能將原材料的利用率提高達(dá)90%以上。
據(jù)了解，這架C919國產(chǎn)大型飛機(jī)便借助該技術(shù)打造了一系列用于飛機(jī)主風(fēng)擋窗框、機(jī)翼、機(jī)體銜接部位的鈦合金零件。
另外，庫卡工業(yè)（KUKA Industries）當(dāng)前正參與了一項(xiàng)由德國聯(lián)邦教育和研究部（BMBF）發(fā)起的新研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目稱為ProLMD，旨在使用激光金屬沉積（LMD）工藝為航空和汽車行業(yè)制造具有成本效益的高性能金屬部件。這家全球知名的機(jī)器人公司正與MTU、空客、戴姆勒、BCT、MBraun、Laserline和弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所等合作伙伴攜手。項(xiàng)目合作伙伴期望通過將各種材料應(yīng)用于積累率為1kg / h至2kg / h的復(fù)雜表面后，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)15%的成本節(jié)約。
當(dāng)然，以上只是激光技術(shù)在航空航天世界里應(yīng)用的冰山一角，其它如激光近形制造、激光沖擊強(qiáng)化、激光打孔打標(biāo)等技術(shù)也在飛機(jī)制造中得到深入的應(yīng)用。而未來，還有更多更多的新技術(shù)、新工藝、新領(lǐng)域和新應(yīng)用等待著我們?nèi)ラ_發(fā)、去挖掘。
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