5月5日，由中國自主研制的新一代噴氣式大型客機C919在上海浦東國際機場實現了成功首飛。這標志著縈繞中華民族百年的“大飛機夢”終于取得歷史性突破，藍天上終于翱翔了一款屬于中國的完全按照世界先進標準研制的大型客機。
激光技術——作為現今全球范圍內最先進的制造加工技術之一，無疑在航空航天領域內發(fā)揮了重要的作用，無論從飛機機身到飛機構件再到各式各樣材料的加工，都能尋到激光技術的身影。結合C919，本文主要盤點一下形形色色的激光技術和工藝在航空航天領域的應用。
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、噪音小、切割品質佳、生產效率高以及能夠省去大型磨具的應用等等，近年來，這把“最快的刀”已被廣泛應用于航空制造領域中。
例如，激光可切割一系列高硬度、高熔點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、復合材料、塑料、陶瓷及石英等。而在航空設備的制造流程中，激光切割適用于加工的零部件也是不計其數：發(fā)動機火焰筒、發(fā)動機機匣、飛機框架、飛機蒙皮、機翼長桁、尾翼壁板、蜂窩結構、直升機主旋翼……
現在典型的飛機零部件大量采用鋁合金、鈦合金、耐高溫合金等特種合金，結構形狀復雜，成形要求精確，而大功率激光切割機加工技術的引進，能提高加工的質量，降低模具投資成本，縮短生產周期，特別適用于復雜零配件的加工。
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，機具耗損及變形率最低；焊接不受距離限制，可實現自動化高速焊接；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……僅僅是以上羅列的這些裨益，便不難發(fā)現激光焊接在飛機制造中的用武之地究竟有多大了。
激光焊接應用最廣的是薄壁結構的焊接，在航空結構中較典型的是歐洲空客系列客機的鋁合金機身下壁板，這種以焊代鉚結構能夠將飛機機身重量減輕約20%，制造成本降低近20%。例如以A380為例，其機身壁板所采用的6056/6013激光焊接結構設計，鑒于省去了加筋條用于與蒙皮連接的彎邊，減少了5%-10%的結構重量，同時降低了約15%的成本。
讓我們把目光再次轉向C919飛機。據悉此次，哈爾濱工業(yè)大學為C919大飛機的“起飛”也做出了重要貢獻：其中包括C919飛機中央翼復合材料后梁大開口補強設計技術研究、C919大飛機鋁合金機身激光焊接技術及裝備研究。追溯到2011年，由哈工大先進焊接與連接國家重點實驗室主任陳彥賓教授率領的研發(fā)團隊與上飛公司合作承擔了“雙束光纖激光焊接鋁合金機身壁板工藝及裝備技術”研制任務。
經過近四年的潛心鉆研，最終突破了鋁鋰合金雙側光纖激光同步高速焊接工藝、雙機器人協(xié)調控制、空間焊接軌跡離線編程、大型龍門高速運動精度控制等關鍵技術，研制出首臺集成多軸數控與機器人組聯(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: 完美的修復利器
激光熔覆技術，是通過高能密度的激光束輻照作用，使預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。該技術集快速原型制造技術及激光熔覆表面改性技術于一體，可實現三維金屬零件的修復。
在航空領域，航空發(fā)動機的備件價格很高，因而在很多情況下維修零件是比較劃算的，但是修復后零件的質量必須滿足安全要求。例如，飛機螺旋槳葉片表面上出現損傷時，必須通過一些表面處理技術進行修復。除了考慮螺旋槳葉片所要求的高強度、高耐疲勞性，還必須考慮表面修復后的耐腐蝕性，激光熔覆技術正好可以很好地應用于此目的。修復后的工件大部分與原工件性能相當，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和強化進行了研究，使用激光表面熔覆的方法對磨損部位進行修復后，覆層組織致密均勻、無氣孔，與原材料為冶金結合。覆層厚度達0.6mm以上，試飛60小時后，發(fā)動機性能良好。不但節(jié)約了成本而且縮短了加工周期，具有顯著的經濟效益。除此之外，激光熔覆技術還可在渦輪機葉片、殼體結合部件、閥體部件等零部件的修復上得到應用。
激光增材制造功不可沒
如今，增材制造（俗稱3D打?。﹥叭灰巡皇且粋€新鮮詞兒了，并且在各行各業(yè)的應用日益廣泛。隨著航空航天飛行器愈發(fā)先進，對其結構件相應也提出了更多更高的要求，如輕量化、壽命長、高可靠性以及結構功能一體化等。在這種情況下，增材制造技術便是一帖“靈丹妙藥”。
增材制造在航空領域的應用主要涵蓋以下幾個方面：大型整體結構件、承力結構件的加工，旨在縮短加工周期、降低加工成本、優(yōu)化結構設計、減輕結構重量，節(jié)省高昂的航空材料用量；加工形狀復雜的功能性部件，突破傳統(tǒng)加工技術帶來的設計約束；通過激光組合制造技術改造傳統(tǒng)制造工藝，實現復合加工。
據悉，一架大型飛機約有400萬個零部件，而本次首飛的C919大型客機的部分零件便采用了當前廣受追捧的3D打印技術。來自中航工業(yè)的資料顯示，自2001年起，我國就開始重點發(fā)展以鈦合金構件激光快速成型技術為主的激光3D打印技術。C919客機的中央翼條長達3米，屬于大型鈦合金構件，3D打印技術的引入直接解決了C919飛機鈦合金結構件的制造瓶頸，擺脫了傳統(tǒng)模具制造研發(fā)周期長的關鍵技術挑戰(zhàn)，具有劃時代的意義。
通常，航空航天零部件結構復雜、制造成本高昂，一旦出現瑕疵或缺損，只能整體更換，動輒便會造成數十萬、甚至上百萬元的損失。然而，采用3D打印技術，能夠使用同種材料修補缺損部位，零部件修復后的性能不受影響，顯著減少時間和金錢的支出；同時，體現增材制造原理的3D打印工藝也能將原材料的利用率提高達90%以上。
據了解，這架C919國產大型飛機便借助該技術打造了一系列用于飛機主風擋窗框、機翼、機體銜接部位的鈦合金零件。
另外，庫卡工業(yè)（KUKA Industries）當前正參與了一項由德國聯(lián)邦教育和研究部（BMBF）發(fā)起的新研究項目，該項目稱為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研究所等合作伙伴攜手。項目合作伙伴期望通過將各種材料應用于積累率為1kg / h至2kg / h的復雜表面后，能夠實現高達15%的成本節(jié)約。
當然，以上只是激光技術在航空航天世界里應用的冰山一角，其它如激光近形制造、激光沖擊強化、激光打孔打標等技術也在飛機制造中得到深入的應用。而未來，還有更多更多的新技術、新工藝、新領域和新應用等待著我們去開發(fā)、去挖掘。
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