航空报披露激光技术在航空制造领域的两项突破

http://news.ifeng.com/mil/2/detail_2013_04/08/23980501_0.shtml
http://news.ifeng.com/mil/2/detail_2013_04/08/23979351_0.shtml

中国突破发动机整体叶盘激光冲击强化等多项技术
2013年04月08日 15:52
来源：中国航空报


激光冲击强化加工金属表面


激光冲击强化（Laser shock peening，LSP）是近几年发展起来的一种新型表面强化技术，目前在美国已广泛应用于航空发动机关键结构件的表面强化。该技术已成为先进发动机叶片强化的必选技术之一。它的应用大幅度提高了构件的抗疲劳寿命，在航空、航天、石油、核电、汽车等领域有着广泛的应用前景。

精确的“光爆炸”优良的“免疫力”

该技术是利用高峰值功率密度（>109W/cm2）的脉冲激光透过约束层后作用于金属靶材表面的吸收层上，产生受约束的高压（>1GPa）等离子体，产生的冲击波使金属材料表层产生塑性变形，获得表面残余压应力，从而提高结构疲劳性能。激光冲击强化是激光加工中峰值功率最高的，产生的等离子体相当于在材料表面产生小爆炸，但由于作用时间极短（纳秒量级），热作用仅在吸收层几微米深度，对待强化构件是一种冲击波作用的冷加工，可以获得光滑的微米级凹陷、毫米级残余压应力层。相比喷丸而言，激光冲击强化可以获得更深的残余压应力层，更光滑的表面，更易于精确控制。对发动机钛合金叶片而言，一旦叶片边缘因外物破坏形成缺口，其疲劳强度急剧减低，而激光冲击强化获得的残余压应力层能很好阻止或者延缓裂纹萌生，提高结构的疲劳寿命和安全性，相当于在关键结构关键部位获得“免疫力”。激光冲击强化在不改变设计的基础上能很好提高其疲劳性能，在叶片边缘、孔槽结构、焊接结构、转接R等关键部位均有很好的应用价值。

美国1997年开始在发动机叶片上采用激光冲击强化技术，目前在F119发动机风扇和压气机整体叶盘采用激光冲击强化技术提高疲劳寿命4～5倍。除发动机外，F-22飞机机身孔结构、T-45舰载机拦阻杆等结构均采用激光冲击强化提供疲劳寿命，大大延长了检修周期。日本采用激光冲击强化核反应堆压力容器焊缝，提高了焊缝抗应力腐蚀性能。

激光冲击强化技术的“先锋队”

中航工业制造所是国内最早开始激光冲击强化的单位之一，拥有专门的研究团队和较强的科研实力。历经十几年的稳步发展，在应用基础研究、专用装备研制、工艺技术研究、标准制定等多层次取得了一系列成果，为该技术在我国的发展奠定了坚实的基础：在国内率先开展发动机钛合金叶片的激光冲击强化技术研究，进而突破了航空发动机整体叶盘激光冲击强化的多项关键技术；从国际合作研制强脉冲激光器到自我研制高频率强脉冲激光器，开发激光冲击强化设备；从圆形光斑转化到方形光斑激光冲击强化，成功解决了叶片薄壁结构边缘变形和残余应力冲突的技术难题；采用柔性光学关节和小型激光加工头，实现了隐蔽面的激光冲击强化；分析了激光冲击强化高温合金后残余应力释放慢的特性，突破了涡轮盘榫齿等难强化面表面强化的瓶颈；针对行业内对新技术执行规范的高度关注，适时发布了激光冲击强化航空行业标准。中航工业制造所为工厂激光冲击强化提供技术支持及成果转让，为航空制造领域推广应用激光冲击强化技术做出了自己应尽的贡献。目前，制造所已实现整体叶盘的强化，将为长寿命、高性能的发动机设计提供一项关键技术。

长寿命制造技术的新选择

随着先进制造技术的发展，对航空装备关键结构件的服役寿命要求越来越高，减重增效是先进装备制造技术的永恒目标。制造所着眼行业需求，深入开展激光冲击强化应用于金属材料的焊接结构、机身孔结构、重点疲劳区转接R等的抗疲劳制造技术研究，正在更广泛的领域为关键构件的抗疲劳制造做出应有的贡献。


新型激光焊接技术的发展为中国战机披上战袍2013年04月08日 15:20
来源：中国航空报

钛合金双向加筋壁板结构双光束激光焊接


轻量化、超声速巡航、优良的隐身性能、长使用寿命、高可靠及低成本已经成为当前世界航空航天飞行器结构设计与制造的重要发展趋势。整体化设计与制造的蒙皮类、型腔类及壁板类结构是航空航天飞行器“金属外衣”的主要结构形式，并对飞行器的机动性能、气动性能、隐身性能及使用寿命等产生重要的影响。先进的特种焊接技术是航空航天飞行器结构的主要制造技术之一，包括电弧焊接技术、电子束焊接技术、激光焊接技术、摩擦焊接技术等。其中，激光焊接技术在以“大尺寸、薄壁结构、复杂型面”为特征的蒙皮类、型腔类及壁板类结构的整体化焊接制造方面具有独特的优势，成为当代航空航天飞行器“金属外衣”整体化制造的关键技术。

激光焊接技术，在突破了以“匙孔”吸收为特征的激光深熔焊接技术后，激光光束能量密度高达106W/cm2以上，其焊接热输入低、焊接速度快、焊缝和热影响区窄、焊接变形小、对母材热损伤小、可以在惰性气体保护气氛环境中进行焊接；并且波长为1.06μm的Nd:YAG激光还可以采用柔性光纤传输，配以可灵活操作的机械手，为实现空间曲线焊缝的自动焊接提供了可能。

欧美等国在上世纪80年代末至90年代初，就开始将激光焊接技术大量应用于航空航天飞行器制造。其应用主要集中在零件级别的以焊代铆和零件之间的以小拼大两个方面，即蒙皮类、型腔类及壁板类结构的对接拼焊，涉及的金属材料主要包括钛合金、镍基和铁基高温合金等。

然而，由于国内缺少大功率与高光束品质激光器件等因素，我国在激光焊接技术研究和应用方面起步较晚。1995年，在中航工业制造所关桥院士的积极呼吁下，我国依托中航工业制造所，建立了高能束流加工技术重点实验室，专门从事高能束流加工技术研发及装备研制工作，其中激光焊接技术是实验室重点研究和应用方向之一。通过从国内相关单位引进激光器件，自主设计与配套相关装备，实验室迅速开展了激光焊接工艺可行性研究，以及航空航天飞行器常用金属材料激光焊接特性基础研究等工作。为克服单一激光焊接对零件装配精度要求过高，在高功率、高速度焊接条件下易于产生气孔、咬边等各种焊接缺陷，以及某些高反射率金属材料焊接时存在困难等问题，在激光电弧复合焊接技术方面，实验室也开展了系统的研究工作。如采用激光与激光复合方式的多光点激光焊接技术、连续激光/脉冲激光焊接技术，采用激光与外部热源复合方式的激光/TIG焊接技术、激光/MIG焊接技术、激光/PLASMA焊接技术、激光/电磁感应加热焊接技术，采用激光与填加材料复合方式的激光填丝焊接技术、激光填粉焊接技术、活性剂激光焊接技术，以及上述各种焊接技术的复合等。通过适当扩大激光热源的作用范围、引入外部热源，以及在焊接过程中填加合适的材料等方式，激光复合焊接技术利用热源之间、热源与材料之间的“增强互动”效应，克服了单一激光焊接存在的固有缺陷，进一步优化和完善了激光焊接技术工艺体系，为激光焊缝的控形与控性提供了更灵活多样的技术手段。

进入21世纪，双光束激光焊接技术的应用为世界航空制造业带来了一次伟大的技术变革。为解决壁板结构蒙皮与加强筋之间T型接头的焊接问题，该技术采用两束激光对壁板结构T型接头两侧同步施焊，完成蒙皮与加强筋之间的连接。双光束激光焊接技术由于采用了对称的焊接热源，从T型接头两侧同步施焊，最大程度地减小焊接产生的变形，保证蒙皮外型面的形状精度。因此，双光束激光焊接技术在国外航空制造领域迅速得到了应用。空客公司在以A380为代表的系列机型上均大量采用了双光束激光焊接的铝合金整体壁板，即采用双光束激光焊接技术将6013 T6铝合金机身蒙皮与6013 T6511铝合金加强筋焊接成为整体机身壁板，取代原有的铆接密封壁板，强度提高近20%，结构重量减轻近20%，成本降低25%。双光束激光焊接技术的这些应用使焊接技术成功地实现了从零件级到部件级，甚至部件间连接的质的跨越，这被认为是航空制造业的一次伟大的技术变革。

紧跟国外激光焊接技术研究和应用的发展，中航工业制造所高能束流加工技术重点实验室组建了一支团结协作、激情进取、求实创新的精英团队，先后建立了10kW光纤激光和3kW YAG激光以及4kW CO2激光焊接系统，以整体化焊接的钛合金、铝合金蒙皮类、型腔类及壁板类结构为研究对象，先后开展了激光深熔焊接技术、各种激光复合焊接技术，以及双光束激光焊接技术等的基础与应用研究，并成功地将活性剂激光焊接技术应用于飞机钛合金蒙皮类和型腔类结构的对接拼焊。双光束激光焊接技术研究也获得重大突破，并应用于飞机钛合金壁板类结构蒙皮与加强筋之间的整体化焊接（如图所示）。今天的高能束流加工技术重点实验室的激光焊接技术无论在研发平台还是在技术水平方面都站在了国际最前沿。

随着技术的更新与发展，激光焊接已不再是一种单纯意义上的加工制造技术，已发展成为激光能量场与品质、材料冶金、结构力学、自动化、计算机等多学科集成的工程制造技术，显现出极高的技术附加值。激光焊接技术的发展方向更趋于加工过程的自动化和智能化、复合束源和集成化，并向着高品质、高功率、高效率、多功能和结构功能一体化方向发展，同时随着其在航空领域及其他领域的应用愈加广泛和成熟，激光焊接技术必将成为我国航空事业和其它军工领域传统制造业改造升级不可或缺的重要技术。

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中国突破发动机整体叶盘激光冲击强化等多项技术
2013年04月08日 15:52
来源：中国航空报


激光冲击强化加工金属表面


激光冲击强化（Laser shock peening，LSP）是近几年发展起来的一种新型表面强化技术，目前在美国已广泛应用于航空发动机关键结构件的表面强化。该技术已成为先进发动机叶片强化的必选技术之一。它的应用大幅度提高了构件的抗疲劳寿命，在航空、航天、石油、核电、汽车等领域有着广泛的应用前景。

精确的“光爆炸”优良的“免疫力”

该技术是利用高峰值功率密度（>109W/cm2）的脉冲激光透过约束层后作用于金属靶材表面的吸收层上，产生受约束的高压（>1GPa）等离子体，产生的冲击波使金属材料表层产生塑性变形，获得表面残余压应力，从而提高结构疲劳性能。激光冲击强化是激光加工中峰值功率最高的，产生的等离子体相当于在材料表面产生小爆炸，但由于作用时间极短（纳秒量级），热作用仅在吸收层几微米深度，对待强化构件是一种冲击波作用的冷加工，可以获得光滑的微米级凹陷、毫米级残余压应力层。相比喷丸而言，激光冲击强化可以获得更深的残余压应力层，更光滑的表面，更易于精确控制。对发动机钛合金叶片而言，一旦叶片边缘因外物破坏形成缺口，其疲劳强度急剧减低，而激光冲击强化获得的残余压应力层能很好阻止或者延缓裂纹萌生，提高结构的疲劳寿命和安全性，相当于在关键结构关键部位获得“免疫力”。激光冲击强化在不改变设计的基础上能很好提高其疲劳性能，在叶片边缘、孔槽结构、焊接结构、转接R等关键部位均有很好的应用价值。

美国1997年开始在发动机叶片上采用激光冲击强化技术，目前在F119发动机风扇和压气机整体叶盘采用激光冲击强化技术提高疲劳寿命4～5倍。除发动机外，F-22飞机机身孔结构、T-45舰载机拦阻杆等结构均采用激光冲击强化提供疲劳寿命，大大延长了检修周期。日本采用激光冲击强化核反应堆压力容器焊缝，提高了焊缝抗应力腐蚀性能。

激光冲击强化技术的“先锋队”

中航工业制造所是国内最早开始激光冲击强化的单位之一，拥有专门的研究团队和较强的科研实力。历经十几年的稳步发展，在应用基础研究、专用装备研制、工艺技术研究、标准制定等多层次取得了一系列成果，为该技术在我国的发展奠定了坚实的基础：在国内率先开展发动机钛合金叶片的激光冲击强化技术研究，进而突破了航空发动机整体叶盘激光冲击强化的多项关键技术；从国际合作研制强脉冲激光器到自我研制高频率强脉冲激光器，开发激光冲击强化设备；从圆形光斑转化到方形光斑激光冲击强化，成功解决了叶片薄壁结构边缘变形和残余应力冲突的技术难题；采用柔性光学关节和小型激光加工头，实现了隐蔽面的激光冲击强化；分析了激光冲击强化高温合金后残余应力释放慢的特性，突破了涡轮盘榫齿等难强化面表面强化的瓶颈；针对行业内对新技术执行规范的高度关注，适时发布了激光冲击强化航空行业标准。中航工业制造所为工厂激光冲击强化提供技术支持及成果转让，为航空制造领域推广应用激光冲击强化技术做出了自己应尽的贡献。目前，制造所已实现整体叶盘的强化，将为长寿命、高性能的发动机设计提供一项关键技术。

长寿命制造技术的新选择

随着先进制造技术的发展，对航空装备关键结构件的服役寿命要求越来越高，减重增效是先进装备制造技术的永恒目标。制造所着眼行业需求，深入开展激光冲击强化应用于金属材料的焊接结构、机身孔结构、重点疲劳区转接R等的抗疲劳制造技术研究，正在更广泛的领域为关键构件的抗疲劳制造做出应有的贡献。


新型激光焊接技术的发展为中国战机披上战袍2013年04月08日 15:20
来源：中国航空报

钛合金双向加筋壁板结构双光束激光焊接


轻量化、超声速巡航、优良的隐身性能、长使用寿命、高可靠及低成本已经成为当前世界航空航天飞行器结构设计与制造的重要发展趋势。整体化设计与制造的蒙皮类、型腔类及壁板类结构是航空航天飞行器“金属外衣”的主要结构形式，并对飞行器的机动性能、气动性能、隐身性能及使用寿命等产生重要的影响。先进的特种焊接技术是航空航天飞行器结构的主要制造技术之一，包括电弧焊接技术、电子束焊接技术、激光焊接技术、摩擦焊接技术等。其中，激光焊接技术在以“大尺寸、薄壁结构、复杂型面”为特征的蒙皮类、型腔类及壁板类结构的整体化焊接制造方面具有独特的优势，成为当代航空航天飞行器“金属外衣”整体化制造的关键技术。

激光焊接技术，在突破了以“匙孔”吸收为特征的激光深熔焊接技术后，激光光束能量密度高达106W/cm2以上，其焊接热输入低、焊接速度快、焊缝和热影响区窄、焊接变形小、对母材热损伤小、可以在惰性气体保护气氛环境中进行焊接；并且波长为1.06μm的Nd:YAG激光还可以采用柔性光纤传输，配以可灵活操作的机械手，为实现空间曲线焊缝的自动焊接提供了可能。

欧美等国在上世纪80年代末至90年代初，就开始将激光焊接技术大量应用于航空航天飞行器制造。其应用主要集中在零件级别的以焊代铆和零件之间的以小拼大两个方面，即蒙皮类、型腔类及壁板类结构的对接拼焊，涉及的金属材料主要包括钛合金、镍基和铁基高温合金等。

然而，由于国内缺少大功率与高光束品质激光器件等因素，我国在激光焊接技术研究和应用方面起步较晚。1995年，在中航工业制造所关桥院士的积极呼吁下，我国依托中航工业制造所，建立了高能束流加工技术重点实验室，专门从事高能束流加工技术研发及装备研制工作，其中激光焊接技术是实验室重点研究和应用方向之一。通过从国内相关单位引进激光器件，自主设计与配套相关装备，实验室迅速开展了激光焊接工艺可行性研究，以及航空航天飞行器常用金属材料激光焊接特性基础研究等工作。为克服单一激光焊接对零件装配精度要求过高，在高功率、高速度焊接条件下易于产生气孔、咬边等各种焊接缺陷，以及某些高反射率金属材料焊接时存在困难等问题，在激光电弧复合焊接技术方面，实验室也开展了系统的研究工作。如采用激光与激光复合方式的多光点激光焊接技术、连续激光/脉冲激光焊接技术，采用激光与外部热源复合方式的激光/TIG焊接技术、激光/MIG焊接技术、激光/PLASMA焊接技术、激光/电磁感应加热焊接技术，采用激光与填加材料复合方式的激光填丝焊接技术、激光填粉焊接技术、活性剂激光焊接技术，以及上述各种焊接技术的复合等。通过适当扩大激光热源的作用范围、引入外部热源，以及在焊接过程中填加合适的材料等方式，激光复合焊接技术利用热源之间、热源与材料之间的“增强互动”效应，克服了单一激光焊接存在的固有缺陷，进一步优化和完善了激光焊接技术工艺体系，为激光焊缝的控形与控性提供了更灵活多样的技术手段。

进入21世纪，双光束激光焊接技术的应用为世界航空制造业带来了一次伟大的技术变革。为解决壁板结构蒙皮与加强筋之间T型接头的焊接问题，该技术采用两束激光对壁板结构T型接头两侧同步施焊，完成蒙皮与加强筋之间的连接。双光束激光焊接技术由于采用了对称的焊接热源，从T型接头两侧同步施焊，最大程度地减小焊接产生的变形，保证蒙皮外型面的形状精度。因此，双光束激光焊接技术在国外航空制造领域迅速得到了应用。空客公司在以A380为代表的系列机型上均大量采用了双光束激光焊接的铝合金整体壁板，即采用双光束激光焊接技术将6013 T6铝合金机身蒙皮与6013 T6511铝合金加强筋焊接成为整体机身壁板，取代原有的铆接密封壁板，强度提高近20%，结构重量减轻近20%，成本降低25%。双光束激光焊接技术的这些应用使焊接技术成功地实现了从零件级到部件级，甚至部件间连接的质的跨越，这被认为是航空制造业的一次伟大的技术变革。

紧跟国外激光焊接技术研究和应用的发展，中航工业制造所高能束流加工技术重点实验室组建了一支团结协作、激情进取、求实创新的精英团队，先后建立了10kW光纤激光和3kW YAG激光以及4kW CO2激光焊接系统，以整体化焊接的钛合金、铝合金蒙皮类、型腔类及壁板类结构为研究对象，先后开展了激光深熔焊接技术、各种激光复合焊接技术，以及双光束激光焊接技术等的基础与应用研究，并成功地将活性剂激光焊接技术应用于飞机钛合金蒙皮类和型腔类结构的对接拼焊。双光束激光焊接技术研究也获得重大突破，并应用于飞机钛合金壁板类结构蒙皮与加强筋之间的整体化焊接（如图所示）。今天的高能束流加工技术重点实验室的激光焊接技术无论在研发平台还是在技术水平方面都站在了国际最前沿。

随着技术的更新与发展，激光焊接已不再是一种单纯意义上的加工制造技术，已发展成为激光能量场与品质、材料冶金、结构力学、自动化、计算机等多学科集成的工程制造技术，显现出极高的技术附加值。激光焊接技术的发展方向更趋于加工过程的自动化和智能化、复合束源和集成化，并向着高品质、高功率、高效率、多功能和结构功能一体化方向发展，同时随着其在航空领域及其他领域的应用愈加广泛和成熟，激光焊接技术必将成为我国航空事业和其它军工领域传统制造业改造升级不可或缺的重要技术。