隨著長壽命、高可靠性、低成本、高性能的設(shè)計(jì)及制造要求，越來越多的新型高性能材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)在飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，如整體壁板、整體葉盤/葉環(huán)、空心葉片、單晶/定向凝固葉片、粉末合金及復(fù)合材料構(gòu)件等。新型高性能材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大使用，在提高裝備性能的同時(shí)，也對(duì)包括焊接技術(shù)在內(nèi)的航空制造及修理技術(shù)提出了更高的要求。

激光焊接具有能量密度高、熱輸入量低、結(jié)構(gòu)變形小、無需真空環(huán)境、高質(zhì)量、高精度、高效率等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在各類金屬材料熔化焊接方法中獨(dú)占鰲頭；結(jié)合工業(yè)機(jī)器人、視覺傳感跟蹤系統(tǒng)、自動(dòng)送絲（送粉）系統(tǒng)（見圖1），易于實(shí)現(xiàn)集成化、自動(dòng)化、柔性化、批量化制造，在全球制造產(chǎn)業(yè)中占據(jù)越來越高的地位。近年來，隨著高功率激光器的不斷發(fā)展，激光束流品質(zhì)的不斷提高，激光焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了由傳導(dǎo)焊向深熔焊的根本性轉(zhuǎn)變，應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，在航空制造及修理中重要性也不斷提高。

圖1?搭載機(jī)器人的激光填絲焊接系統(tǒng)

1. 激光焊接在飛機(jī)制造及修理中的應(yīng)用

（1）激光焊接在飛機(jī)制造中的應(yīng)用 在飛機(jī)制造領(lǐng)域中，激光焊接技術(shù)主要應(yīng)用于飛機(jī)大蒙皮的拼接以及蒙皮與長桁的焊接，機(jī)身附件的裝配中也大量使用了激光束焊接技術(shù)，如腹鰭和襟翼的翼盒。近年來，激光焊接技術(shù)也多用于薄壁零件制造，如進(jìn)氣道、波紋管等。

早在20世紀(jì)70年代初，美國已利用15kW的CO2激光器針對(duì)飛機(jī)制造業(yè)中的各種材料、零部件，進(jìn)行了焊接試驗(yàn)及評(píng)估工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。美國愛迪生焊接研究所與海軍焊接中心聯(lián)合開展了戰(zhàn)機(jī)裝備激光焊接技術(shù)研究。意大利于20世紀(jì)70年代末從美國引進(jìn)了15kW的CO2 激光器，隨后歐盟對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的各種容器及輕量級(jí)結(jié)構(gòu)立項(xiàng)，開展了長達(dá)8年的激光焊接應(yīng)用研究，材料涉及鈦合金、鎳基、鐵基高溫合金等。英國焊接研究所（TWI）成功實(shí)現(xiàn)了鋁合金加筋壁板雙光束YAG激光填絲焊接，焊接質(zhì)量良好，焊接變形小于TIG焊。德國宇航公司（MBB）將激光焊接用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼與內(nèi)隔板和加強(qiáng)筋的全部連接，取代了原有的鉚接工藝，被德國宇航界稱為航空制造業(yè)中的一大技術(shù)革命。

2002年前后，空客公司采用雙光束雙側(cè)同步激光焊接工藝（見圖2），將A318鋁合金飛機(jī)機(jī)身兩塊下壁板的蒙皮與桁條焊接成整體機(jī)身壁板，減輕飛機(jī)機(jī)身的重量近20%，提高強(qiáng)度近20%，后續(xù)推廣應(yīng)用于A380、A340、A350等多個(gè)機(jī)型的機(jī)身整體壁板制造，以及A380的艙壁門筋板以及無人駕駛飛機(jī)結(jié)構(gòu)，在A350上的焊縫總長度更是達(dá)到1000m。

圖2?雙激光束雙側(cè)同步激光焊接

我國激光焊接技術(shù)研究起步于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過多年努力，已成功實(shí)現(xiàn)了汽車制造拼焊、管道焊接應(yīng)用。隨著鋁合金、鈦合金激光焊接工藝基礎(chǔ)研究的深度、廣度不斷增大，已實(shí)現(xiàn)了部分飛機(jī)構(gòu)件的激光焊接應(yīng)用。

自20世紀(jì)90年代后期開始，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所就已經(jīng)開展了飛機(jī)構(gòu)件激光焊接技工藝研究。2003年，在國內(nèi)率先將激光焊技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)鈦合金壁板類關(guān)鍵構(gòu)件的焊接，同時(shí)在激光填絲焊接、激光電弧復(fù)合焊接、激光雙光點(diǎn)焊接、T形接頭激光雙光束雙側(cè)同步焊接技術(shù)等新工藝方面也進(jìn)行了大量研究。2014年左右，在國產(chǎn)大型客機(jī)設(shè)計(jì)方案中，前機(jī)身、中后機(jī)身的部分鋁鋰合金下壁板擬采用激光焊接方案，中國商飛公司牽頭開展了工藝穩(wěn)定性分析、變形控制，以及缺陷檢測(cè)與控制等相關(guān)研究工作，初步實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)件級(jí)構(gòu)件的激光焊接（見圖3）。

圖3?鋁鋰合金激光焊接壁板試驗(yàn)件

（2）激光焊接在飛機(jī)修理中的應(yīng)用 激光焊接技術(shù)具有焊接速度快、施工較鉚接簡單的特點(diǎn)，是代替鉚接工藝的理想技術(shù)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)已就激光焊接技術(shù)修理飛機(jī)構(gòu)件開展了一些研究，并已實(shí)現(xiàn)了部分構(gòu)件的修理應(yīng)用。國內(nèi)某飛機(jī)修理工廠已將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)鈦合金機(jī)尾罩的損傷修理，并制定了鈦合金結(jié)構(gòu)激光焊接修理工藝規(guī)范。2012年左右，空軍第一研究院采用機(jī)器人柔性激光切割/焊接系統(tǒng)，完成了某型飛機(jī)機(jī)翼鈦合金蒙皮下表面損傷部位的切割、焊接一體化修復(fù)應(yīng)用研究，修復(fù)后表面光滑，結(jié)構(gòu)性能完全恢復(fù)，可長期可靠工作，滿足了使用需求。

2. 激光焊接在發(fā)動(dòng)機(jī)制造及修理中的應(yīng)用

（1）激光焊接在發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用 激光焊接技術(shù)以其優(yōu)異的熱源性能、極佳的變形控制優(yōu)勢(shì)及較廣的材料焊接適應(yīng)性，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁高精度構(gòu)件焊接方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)（見圖4），在航空高溫合金、鈦合金、鈦鋁金屬間化合物等新型材料焊接方面有較大的發(fā)展前景。國外極為重視航空構(gòu)件激光焊接技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，歐盟第六框架研究項(xiàng)目AROSATEC針對(duì)壓氣機(jī)定子與葉柵、高壓和低壓葉片出口與蓋板連接，以及渦輪機(jī)匣開展了激光焊接技術(shù)研究。

圖4?航空結(jié)構(gòu)件的激光焊接

美國普惠公司完成渦輪葉片所需部件的自動(dòng)激光焊接，如JT9D和FLO的二級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子葉片以及V2500、F100-PW-220、PW2037、PW4000等發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、機(jī)匣及燃燒室等。美國GE公司也已成功完成了發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片組件的激光焊接，有效地解決了鎳基合金零件激光焊接變形與裂紋等問題，并用6kW的CO2 激光設(shè)備焊接了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室襯套。英國R&R公司用固體激光器與機(jī)器人組合完成鈦合金和高溫合金的自動(dòng)化焊接，保證了焊縫和焊接過程的一致性，減少了焊接變形，接頭殘余應(yīng)力低，大大減少了校形工作量。日本JAEC的相關(guān)公司采用6kW的CO2激光設(shè)備完成了V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣前后段焊接。

早在20世紀(jì)90年代末期，某公司就與西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)，開展了Inconel625高溫合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)前、后冷氣導(dǎo)管的激光焊接工藝研究，采用了CO2激光焊接設(shè)備，開發(fā)了從焊前清洗、裝配焊接到焊后處理等全套焊接工藝，滿足了使用需求。北京航空制造工程研究所已將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金承力構(gòu)件制造，并采用激光焊接技術(shù)替代板擴(kuò)散連接技術(shù)，在國內(nèi)率先開展了鈦合金超塑成形/激光焊的多層結(jié)構(gòu)制造工藝研究。波音公司和華盛頓州立大學(xué)聯(lián)合也開發(fā)了超塑成形和激光焊接的組合工藝，通過激光焊接方法可以更加靈活的構(gòu)造芯板圖案，大大提高生產(chǎn)效率、降低成本。

（2）激光焊接在發(fā)動(dòng)機(jī)修理中的應(yīng)用 發(fā)動(dòng)機(jī)部件主要損傷形式有外物打傷、磨損、裂紋、燒蝕和加工缺陷等，部件材料、損傷部位、損傷形式的多樣性，決定了損傷后焊接修復(fù)的復(fù)雜性。激光焊接修復(fù)技術(shù)利于近凈成形，減少裂紋產(chǎn)生，大量應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件修理（見圖5、圖6）。

圖5?激光堆焊修復(fù)葉片葉冠損傷部位

圖6?激光焊接補(bǔ)片修理整體盤葉片

美國霍尼韋爾公司已經(jīng)成功將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于Avro RJ支線噴氣系列飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)LF507的葉片修理。加拿大Liburdi集團(tuán)公司采用自動(dòng)送絲激光焊接設(shè)備進(jìn)行葉片修理，已實(shí)現(xiàn)了RB211發(fā)動(dòng)機(jī)高、中、低壓渦輪葉片修理（見圖7），并于2001年獲得R&R公司授權(quán)專門從事RB211發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和其他部件的激光焊接修復(fù)。德國MTU公司開發(fā)了可用于風(fēng)扇整體葉盤的葉片損傷修復(fù)的激光焊接技術(shù)，形成了焊接、機(jī)械加工、精密拋光和無損檢測(cè)修理規(guī)范。

圖7?自動(dòng)送絲激光焊修理渦輪葉片

激光低熱輸入精密金屬沉積工藝是H&R公司的專利技術(shù)，與激光填絲焊接類似，主要是利用激光熔化金屬扁絲進(jìn)行一層一層地堆積，不同的是，這種技術(shù)無需待修理件上建立熔池。美國海軍和空軍已將該技術(shù)成功地應(yīng)用于受損整體葉盤修理，使修理時(shí)間縮短、精度提高、費(fèi)用減少、壽命延長，并在T700發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)第1級(jí)整體葉盤上得到驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，H&R公司針對(duì)普惠公司F135發(fā)動(dòng)機(jī)修理，完成了相關(guān)的高循環(huán)疲勞試驗(yàn)和評(píng)估，達(dá)到與T700發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)整體葉盤相同的修理水平。

國內(nèi)在激光增材修復(fù)技術(shù)方面開展了較多的研究，已完成了多種結(jié)構(gòu)、材料發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的修理驗(yàn)證，但在激光焊接修理應(yīng)用研究相對(duì)較少。中科院金屬所采用激光顯微焊進(jìn)行原位無損修復(fù)，該技術(shù)具有可獲得內(nèi)應(yīng)力最小、空間界面結(jié)合最好、缺陷立體修復(fù)區(qū)最小的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于我國研制的某機(jī)空心導(dǎo)向葉片的鑄造工藝孔修復(fù)，以及低壓渦輪1、2級(jí)三聯(lián)體無余量精鑄導(dǎo)向器葉片大小安裝板上的疏松、縮孔與裂紋等缺陷的修理，通過了裝機(jī)臺(tái)架試車考核。沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所和沈陽黎明公司聯(lián)合開展了某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片葉尖裂紋激光焊修理技術(shù)研究，通過了300h熱沖擊試驗(yàn)考核，符合大修葉片故檢標(biāo)準(zhǔn)，滿足了使用要求。沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)點(diǎn)火導(dǎo)線深度修理需求，開展了激光焊接修理工藝研究，先后完成6件試驗(yàn)件級(jí)修理驗(yàn)證，形成正式修理工藝，完成了兩臺(tái)點(diǎn)火導(dǎo)線修理應(yīng)用，修理后的點(diǎn)火導(dǎo)線外觀及各項(xiàng)電氣性能均合格，并通過了試車。在修復(fù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣時(shí)，對(duì)固連環(huán)形殼體與支撐板氬弧焊焊縫上的裂紋實(shí)施了激光補(bǔ)焊，焊縫成形良好，前后變形量符合要求。

3. 幾點(diǎn)建議

（1）加快關(guān)鍵焊接設(shè)備自主研發(fā) 學(xué)習(xí)國外先進(jìn)激光器研制經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新，加快適用于航空裝備產(chǎn)品特點(diǎn)的高功率、高光束質(zhì)量激光器，以及自動(dòng)送絲、視覺跟蹤、在線檢測(cè)等配套系統(tǒng)的自主研發(fā)。

（2）增大激光焊接技術(shù)研究深度 建立穩(wěn)固的校企、研究所合作研發(fā)關(guān)系，以制造企業(yè)應(yīng)用需求為導(dǎo)向，增大激光焊接技術(shù)基礎(chǔ)研究深度，如氣孔、裂紋等缺陷形成機(jī)制及抑制、接頭表面完整性及可靠性評(píng)估等，開發(fā)適用于高溫、復(fù)雜應(yīng)力等苛刻環(huán)境服役需求的修理用焊接材料，滿足高質(zhì)量、高精度焊接修理要求的工藝配套技術(shù)、修理前后處理技術(shù)。

（3）重視新型材料焊接工藝開發(fā) 積極開展高強(qiáng)高溫鈦合金、新型高溫合金、鈦鋁系金屬間化合物、單晶/定向/粉末高溫合金等新型航空材料的激光焊接工藝開發(fā)，形成涵蓋材料焊接性、工藝、接頭組織及性能的工藝數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，建立相應(yīng)的激光焊接工藝流程。

（4）加快新型焊接技術(shù)應(yīng)用研究 針對(duì)航空產(chǎn)品材料及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加快適用于航空制造及修理需求的新型激光焊接方法應(yīng)用研究，如激光填絲自動(dòng)焊、長焦距激光焊、激光復(fù)合焊及雙光束（填絲）焊等。

（5）擴(kuò)寬激光焊接工藝應(yīng)用廣度 借鑒國外航空制造成功經(jīng)驗(yàn)，建立設(shè)計(jì)-材料-制造的一體化研發(fā)模式，推進(jìn)激光焊接技術(shù)在航空飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)典型構(gòu)件上的工程應(yīng)用，如飛機(jī)整體壁板、腹鰭和襟翼等，發(fā)動(dòng)機(jī)的各種薄壁機(jī)匣、燃燒室部件、葉片等復(fù)雜、精密構(gòu)件，以及加力筒體、擴(kuò)散器等簡單焊接結(jié)構(gòu)件等。

（6）建立完善的工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系 結(jié)合新材料、新結(jié)構(gòu)、新方法及新產(chǎn)品研制及應(yīng)用進(jìn)展，逐步建立和完善我國激光焊接工藝、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，同時(shí)建立并不斷完善焊接工藝數(shù)據(jù)庫。

（7）加快自動(dòng)化、智能化進(jìn)程 結(jié)合工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、自動(dòng)送絲系統(tǒng)、視覺傳感跟蹤系統(tǒng)、焊接質(zhì)量在線檢測(cè)、評(píng)估及實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，助推航空產(chǎn)品自動(dòng)化、智能化制造實(shí)現(xiàn)，提升激光焊接工藝自適應(yīng)控制能力及生產(chǎn)效率。

來源：金屬加工（熱加工）2019年第2期