激光焊在航空制造的應用研究

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摘要：簡述了激光焊的原理、特點，分別從國內外航空發動機的制造和修理、飛機的制造方面，分析和總結了激光焊在航空制造領域的應用現狀，對激光焊在我國的擴大應用具有一定的參考價值。

關鍵詞：激光焊；發動機；飛機；葉片；焊接

隨著科學技術的發展，飛機和航空發動機產品不斷的升級換代，其結構設計越來越復雜，制造精度更高，對制造技術提出了更高的要求。近年來，由于激光設備和工藝的發展，激光焊在航空制造領域占的份額不斷擴大，國內外學者和各大航空制造企業對激光焊在航空制造領域的應用進行了大量的研究［1－13］。

1激光焊的原理及其特點

1．1激光焊的原理。激光焊接過程實質上是激光與非透明物質相互作用的過程，微觀上是一個量子過程，宏觀上則表現為反射、吸收、加熱、熔化和汽化等現象。當激光光子入射到金屬晶體，光子與電子發生非彈性碰撞，將能量傳遞給電子，與此同時電子間也不斷相互碰撞，光子的能量最終轉化為動能，使材料溫度升高，當溫度達到材料熔點和沸點時，產生金屬蒸發并形成壁聚焦效應，經過多次反射，能量到達孔底，隨著工件和光的相對運動，能量最終被完全吸收，液體金屬由于傳熱作用，溫度迅速減低，凝固形成焊縫［14］。1．2激光焊的特點。激光焊的優點［15］：（1）激光束便于控制，精度高，可減少焊接變形，用于高精尖零件的焊接。（2）激光焊可以不使用電極，避免電極對焊縫的污染，同時可以不加焊絲進行焊接。（3）激光束不受距離限制，可以使用光纖進行傳輸和切換，易于實現自動化。（4）可焊接材料廣泛，甚至可以用到異種材料的焊接。激光焊的缺點：（1）對焊件裝配精度高，受激光光斑直徑限制，對焊接間隙和錯邊量要求也較嚴。（2）設備購置費用高，前期資金投入大。

2激光焊在航空發動機上的應用

2．1激光焊在發動機制造上的應用。在我國，激光焊技術在多個航空發動機型號上得到了應用。西航公司成功將激光焊接應用到航空發動機葉片冷氣導管的焊接，實現了異形板厚0．2mm薄壁鈑金件高溫合金的直線和曲線焊接。在某機發動機軸承座實現了曲線角焊縫的激光焊接，有效地控制了焊接變形，同時焊接了某機7層0．25mm厚指尖片的端面圓周焊縫，成功實現了長直焊縫的焊接，新機科研中也得到了較多的應用，解決了薄壁鈑金件氬弧焊無法焊接的問題，掌握了薄壁零件激光焊接工藝和焊接夾具設計要點，編制了西航公司激光焊接工藝和驗收企業標準。•專題綜述•1DOI:10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2020.03.002黎明公司對鈦合金的激光焊接進行了研究，并對比了激光焊焊縫和電子束焊焊縫的性能，結果顯示2種焊縫的強度基本相同，但在焊縫的低周疲勞循環次數方面，激光焊焊縫比電子束焊焊縫的高了40％。在國外，激光焊被廣泛應用于航空發動機的葉片、燃燒室、機匣等的制造中。如：美國GE公司將激光焊技術成功應用于噴氣發動機的焊接中，實現了發動機襯套和導向葉片的激光焊，這是由于激光能量集中，從而降低了零件的焊接變形，故避免了鎳基高溫合金焊縫裂紋的產生。美國普惠公司通過應用研究，完成了導向葉片、機匣和燃燒室等零部件的多個機型的激光自動焊，如PW－220，PW2037，PW4000等型號發動機。日本發動機協會應用激光焊實現了V2500發動機風扇機匣前后兩部分的激光焊。激光焊機器人由羅羅公司首次開發應用到航空發動機制造中，實現了鈦合金的自動焊接，有效地控制了焊接過程，提高了焊接質量，控制了零件的焊接變形。自20世紀80年代后期開始，歐盟為了航空發動機減重設計，在鈦合金、鎳基、鐵基高溫合金方面開展長達8年的激光焊接技術研究，并成功應用到發動機制造中。2．2激光焊在發動機修理上的應用。激光焊中的熔覆技術是一種新的零件表面修復和改性技術，可以用來修復高價值零件表面的磨損或零件表面的特殊性能改變。國內外的研究主要應用于渦輪葉片、導向葉片、火焰筒、擴散機匣等零部件的制造和修理。在我國，黎明公司成功地將激光熔敷技術應用于某型新機渦輪葉片葉冠阻尼面的強化處理和某新機精鑄空心葉片的鑄造缺陷補焊。研究結果表明，激光熔覆層的零件表面質量優于涂層工藝的零件表面質量。西航公司應用激光熔覆技術，成功實現了燃氣輪機火焰筒安裝座的裂紋修理，收得了較好的修復效果，同時控制了安裝座的變形。并通過顯微組織分析和參數試驗，掌握了激光熔覆修復鈦合金葉片的加工技術，還完成了發動機渦輪封嚴盤篦齒磨損修復試驗，并在發動機修理中得到了應用，節約了大量成本［16］，封嚴盤篦齒激光熔覆修理后形貌如圖1所示。黎明公司通過一系列的工藝試驗研究，掌握了裂紋激光修復方法，并成功將該技術應用到中介機匣焊縫激光補焊修復中［17］。在國外，激光熔覆技術主要用于修理發動機渦輪、導向葉片，并不斷向自動化的方向發展，實現了葉片的自動化修復。美國Honywell公司采用激光焊成功修復了LF507葉片。采用激光焊修理與更換葉片相比，降低成本80％。目前，美國普惠公司采用激光自動焊技術成功制備出了鈷基合金耐磨層，在兩型發動機的PWA1455合金材料轉子葉片鋸齒冠阻尼面得到了應用。加拿大Liburdi公司應用激光自動焊實現了多級渦輪葉片的焊接修復。英國諾丁漢大學為了滿足航空發動機葉片的修理，與羅羅公司合作設計了一套修理系統，成功實現了壓氣機葉尖的修理。德國MTU航空發動機公司為了解決氬弧焊修理葉片合格率低的問題，通過研究激光熔覆技術，實現了葉尖的修復，與氬弧焊方法相比較，合格率提高了20％，達到了95％。

3激光焊在飛機制造上的應用

激光焊技術在飛機制造中的應用與國外有一定差距，近年來隨著國內激光發生器的研制技術水平提高和計算機控制技術的發展，激光焊對空間焊縫的適應性得到了有效地控制，激光焊逐步得到應用。激光焊技術目前在飛機制造中的典型應用主要為激光焊技術代替傳統的鉚接工藝、激光焊技術在鈦合金和鋁合金上的應用等。此外，還廣泛應用于機身附件及薄壁零件的制造。采用激光焊后，不但產品質量好，而且生產效率高，可降低飛機的自身質量［18］。在我國，為了滿足新型鋁合金復合材料在飛機制造中的應用，哈爾濱工業大學開展了相關的激光焊試驗，對比分析了焊縫的性能，結果證明激光焊優勢明顯。南京航空航天大學對飛機制造用鋁鋰合金的激光焊技術進行了研究，找到了焊縫等軸細晶區、焊接氣孔和焊接裂紋的機理和控制措施［19］。隨著鈦合金材料在飛機制造中的擴大應用，鈦合金激光焊技術的發展越來越重要，國內諸多科研院校對鈦合金的激光焊技術進行了全面的研究，主要采用數值模擬、焊接試驗、力學試驗等，針對焊縫的組織、性能、焊接變形的控制、工藝設計、工藝裝備的開發等進行了研究［20－26］。目前由第一飛機設計研究院、西飛公司和北京航空制造工程研究所合作，已成功將激光焊用于轟6系列和運7等型號飛機的鈦合金腹鰭制造、鈦合金蒙皮拼焊、壁板與長桁T形接頭焊接等，如圖2所示。另外，我國商飛設計的C9型客機機身壁板也采用了激光焊［27］。在國外，美國率先在20世紀70年代開展了飛機制造常用材料的激光焊試驗、焊縫質量的評估、焊接工藝和驗收標準的制訂。歐洲的意大利也于20世紀70年代引進了激光焊接設備，開展了激光焊技術研究。歐盟于20世紀80年代也針對航空航天用鈦合金，鎳基、鐵基高溫合金開展了激光焊技術應用研究。激光焊技術代替傳統的飛機鉚接工藝，與傳統的飛機蒙皮鉚接技術相比較，激光焊技術可以簡化蒙皮制造工藝、縮短其生產周期，如避免加工鉚釘孔，又可以降低飛機的自身質量。隨著激光焊技術的發展，其已在波音、空中客車多個型號中得到了應用。為了實現激光焊在飛機制造中的應用，空中客車公司進行了近8年的研究。目前已成功應用于多個機型取代鉚接工藝，這項技術被稱為飛機制造業的一場工業技術革命。激光焊用于A318飛機機身壁板的桁架桿，既降低了成本，還提高了耐蝕性，減小了自身質量，減少了裂紋擴展。在空客公司A318，A340和A380飛機上的所有鋁合金內隔板實現了激光焊，成功將激光焊應用于2mm厚6013鋁合金壁板與4mm筋條的焊接，取代了鉚接工藝，使得機身質量減小18％，制造成本降低25％左右。為了提高德國的高端制造水平，德國將激光焊技術作為航空制造領域的重點研究對象，并將其作為兩大前沿技術之一［28］。英國焊接研究所針對輕合金在航空上的應用，研究了航空用AA2014鋁合金加強肋和基板的激光焊技術，成功實現了雙光束激光填絲焊接。研究結果證明，焊縫的性能和焊接變形均優于常用的氬弧焊工藝，飛機鋁合金壁板雙光束激光填絲焊如圖3所示。在空客A380上，激光焊技術應用于多個部位的連接，通過激光焊技術代替鉚接工藝，節約鉚釘達20000kg，這部分載質量全部轉化為了飛機的載客數量，使其成了單座能耗最低的飛機。激光焊技術在飛機制造用鈦合金零部件制造上的應用不斷擴大。鈦合金目前主要用于制造飛機機身、機翼、承重部件等。美國的愛迪生焊接研究所就與軍方合作，開展了針對戰機、軍艦和裝甲車等激光焊技術的應用研究，如美國的F15飛機機體就采用了自身質量達7000kg的鈦合金，占飛機自身質量的34％；B－1轟炸機上的鈦合金占飛機自身質量的21％。

4結語

激光焊由于其獨特的優勢，同時作為一種高新技術，在國外航空制造領域得到了較為廣泛的研究和工程應用，并不斷發展和創新。近年來，由于國內激光焊設備的研發，其在航空制造領域的工藝開發和應用正不斷提升，未來激光焊技術必將發揮更大的作用。

作者:李琳 單位:中國航發西安航空發動機有限公司