摘要:本文以激光連接、成形、分離、表麵等技術為(wei) 例概要介紹了激光材料加工技術的研究現狀、技術難點以及目前在航空航天領域的應用,最後指出了激光材料加工技術的未來發展趨勢。

前言

自1960年梅曼發明了第一台紅寶石激光後，不同類型的激光發生器不斷湧現，早在1963年就出現關(guan) 於(yu) 激光技術應用的報道，激光焊接、切割、熔覆、合金化、製孔、標刻等激光加工工藝在製造業(ye) 的應用層出不窮，這些工藝與(yu) 大規模生產(chan) 相結合為(wei) 現代製造增添了活力，增加了內(nei) 容，同時也為(wei) 激光技術提出了更高的要求，從(cong) 而促進了激光技術的高速發展。

20世紀80年代高光束質量大功率CO2激光器出現，促進了激光焊接技術在白車身製造中的應用；隨後激光焊接技術在船舶製造和A380等飛機機身製造中得到應用。激光技術在麵向生產(chan) 製造的高功率領域長足發展的同時，也向超短、超快方向發展而拓寬了激光技術的應用範圍，通訊、信息、醫療、測量等領域的激光應用在逐步擴大。其中激光在製造領域的應用占整個(ge) 激光技術應用的30%左右，而且這個(ge) 比例在不斷擴大。德國、日本以及西方發達國家的在激光在製造領域的應用占據著製高點。

目 前我國是一個(ge) 製造大國，如何完成由製造大國向製造強國的轉變是一個(ge) 長期而艱巨的任務。激光材料加工技術作為(wei) 新型、綠色、低碳型技術在未來製造領域的地位是 不言而喻的，進行激光與(yu) 物質相互作用的研究、探究其中的物理現象、擴展激光應用的基礎研究，促進激光材料加工技術在工業(ye) 、國防、航空航天、醫療等領域的應 用意義(yi) 重大。

激光連接技術在航空航天領域的應用

目 前激光連接技術在工業(ye) 領域的應用份額僅(jin) 次於(yu) 表麵加工和激光切割。傳(chuan) 統的飛機製造中連接技術主要采用鉚接工藝，因為(wei) 飛機結構中的鋁合金是熱處理強化鋁合金， 經熔焊後，焊縫區以及熱影響區的熱處理強化效果就會(hui) 喪(sang) 失，晶間裂紋難以避免。因此傳(chuan) 統熔焊方法一度成為(wei) 飛機製造的禁區。另外，由於(yu) 鋁合金對激光具有較高的 反射性，輻照在鋁合金表麵的CO2激光功率的97%被反射掉；而且鋁合金特殊的物理特性如較高的導熱性、較高的熱膨脹係數、熔化時黏性較低等特性決(jue) 定了焊接過程的不穩定性以及焊縫缺陷形成的傾(qing) 向。直到90年代高光束質量、高功率激光器的出現鋁合金的深熔焊接才成為(wei) 可能。經過人們(men) 的不懈努力，這一技術終於(yu) 在21世紀之初在飛機製造中得到應用。

激光焊接鋁合金首先實現了機身外皮與(yu) 長桁之間的連接，並且在A318外殼係列產(chan) 品上得以實現。在該項技術中CO2激光器作為(wei) 焊接熱源，焊接材料主要為(wei) 6000係列，這種材料在添加填充焊絲(si) 的情況下具有較好的可焊性。這樣使用填充焊絲(si) 的激光雙麵焊接技術取代了傳(chuan) 統的蒙皮#p#分頁標題#e#-長桁間的鉚接過程，如圖1。激光焊接結構降低了對材料的消耗，減輕了飛機的重量，減少了生產(chan) 工藝步驟，提高了製造速度，從(cong) 整體(ti) 上實現了降低成本的目標。另一方麵由於(yu) 沒有鉚接用孔以及鉚接連接所需的搭接結構，改善了飛機的氣體(ti) 動力學性能，一體(ti) 化的製造方式同時也降低了飛機的維修成本。

目前空客A318的兩(liang) 個(ge) 機身外殼總共110m焊縫采用激光焊接，A380八個(ge) 機身外殼共650m焊縫采用激光焊接。新型飛機也越來越多地采用激光焊接機身外殼，所以在飛機製造過程中機身的激光焊縫長度在繼續增長，A340中14個(ge) 機身外殼798m激光焊縫，A350中18個(ge) 機身外殼1000m激光焊縫。隨著飛機型號的更新激光焊接機身外殼數量也在不斷增加。在2005年共有A318、A380、#p#分頁標題#e#A340等型號210個(ge) 機身外殼采用激光焊接，在未來激光焊接的機身外殼數量將顯著增加。

圖1 鉚接以及激光焊接機身外殼結構的比較  圖2  采用SLM技術製造的鈦合金中空結構；

激光成形技術在航空航天領域的應用

激光成形技術自20世紀80年 代誕生以來在材料、工藝、設備以及相關(guan) 的應用領域得到了迅猛的發展。與(yu) 傳(chuan) 統製造技術相比，其不僅(jin) 可以縮短產(chan) 品研發時間、降低研發成本、對市場需求進行快速 反應，另外其寬泛的設計自由度以及易於(yu) 與(yu) 其他製造技術進行集成的特點為(wei) 製造業(ye) 單件、小批量、個(ge) 性化生產(chan) 零件提供了可能，使之成為(wei) 21世紀最具有潛力的製造技術。雖然目前激光成形件還存在著工藝“瓶頸”如表麵質量相對粗糙、內(nei) 部存在孔洞、氣孔等缺陷、裂紋和變形難以控製等，但是一批激光成形技術的零件由於(yu) 具有較高的性能、尺寸的精確性而用於(yu) 航空航天、國防、汽車、醫療、電子等領域。

#p#分頁標題#e#激 光成形技術在航空航天領域的應用可以概括為(wei) 直接製造金屬零件和航空發動機零件的修複。飛機起落架、外掛架翼肋、外掛架艙壁等零件可以直接製造。這些零件一 般為(wei) 鈦合金、鋁合金等輕型結構件，具有用量少、結構複雜等特點，一般采用傳(chuan) 統的方法難以加工、即使可以加工由於(yu) 製模等過程零件加工所需的時間較長、複雜零 件的加工受到限製或者我國缺乏大噸位水壓、油壓機等基礎設施的因素，限製了這些零件的快速麵世，圖2為(wei) 采用區域選擇激光熔化技術（SLM，Selective Laser Melting）製造的鈦合金中空結構，壁厚僅(jin) 為(wei) 0.5mm，這樣的零件采用精密鑄造方法無法製造。

LENS（Laser Engineered Net Shaping）技術可用於(yu) 傳(chuan) 統焊接方法無法修複的零件，如航空發動機渦輪轉子、壓氣機定子等元件，這些零件一般采用鎳基合金或者鈦合金製造，製造過程費時費力，製造成本也較高，一旦缺損修複的成本也較高。LENS技術的另一應用就是“移動式零件修複醫院”。它在沒有要建零件數據信息的情況下，采用衛星通信設備傳(chuan) 輸有關(guan) 要製造零件的信息，或者采用逆向工程獲得要建零件的外部輪廓信息，經過必要的處理後直接實現修複或者製造。LENS技術最具特色優(you) 勢在於(yu) 製造的過程中實現零件中材料成分的實時連續變化，製造具有材料以及性能梯度的高性能零部件。圖3a為(wei) 采用LENS技術製造的先進渦輪發動機三合金葉輪。該葉輪的A處為(wei) Ti6Al4V合金、B處采用正斜方晶鈦合金Ti22-23、C處采用γ-TiAl(Ti48Al2Cr2Nb)合金製造。圖3b為(wei) Ti6Al4V與(yu) γ-TiAl(Ti48Al2Cr2Nb)兩(liang) 種合金的冶金結合界麵。

圖3 a)采用LENS製造的先進渦輪發動機的三合金葉輪；b) Ti6Al4V與(yu) γ-TiAl(Ti48Al2Cr2Nb)的連接界麵

激光分離技術在航空航天領域的應用

激 光打孔技術為(wei) 以激光束為(wei) 熱源采用熱去除方法進行的分離技術。與(yu) 傳(chuan) 統打孔技術相比其優(you) 勢在於(yu) 較高的柔性以及較好的自動化程度。激光打孔為(wei) 無接觸打孔，加工工 具與(yu) 被加工材料之間不會(hui) 造成摩擦，也不會(hui) 因為(wei) 被加工材料較硬而發生鑽頭折斷，激光打孔與(yu) 傳(chuan) 統打孔技術的對比見表#p#分頁標題#e##p#分頁標題#e#1。激光對金屬材料、陶瓷材料以及高分子材料的精細以及微打孔技術以已經成熟，主要應用於(yu) 汽車工業(ye) 、半導體(ti) 工業(ye) 、製表業(ye) 以及醫療技術中。

激光打孔與(yu) 激光切割、激光焊接的方法相同，具有複雜的物理過程。根據材料被去除的形式分為(wei) 激光熔化打孔和激光升華打孔方法。兩(liang) 者的物理機製不同，打孔的質量不同，分別適合不同的被加工材料。

目前工業(ye) 發達國家的航空產(chan) 品生產(chan) 上均配有相當數量的多坐標激光打孔機，例如美國通用電器公司將激光打孔技術應用在航空發動機的生產(chan) 中，據統計每台發動機平均要用激光打孔10萬(wan) 個(ge) ，一年生產(chan) 的葉片、火箭筒和隔熱屏等零件要打孔5000萬(wan) 個(ge) 。此外渦輪葉片、機匣外殼和燃燒室也采用激光打孔。

激光打孔速度雖然已經很快，但仍然不能滿足日益增長的社會(hui) 需求，還在向更高的打孔速度方向發展。另外新的加工材料層出不窮，要求熱源具有更強的加工能力，提高難加工材料的使用價(jia) 值。此外激光打孔也在向微米級尺寸方向上發展，向更深的打孔深度方向發展。

表1 激光打孔方法與(yu) 傳(chuan) 統打孔方法技術指標的對比

激光表麵技術在航空航天領域的應用

激光衝(chong) 擊技術的原理是，短脈衝(chong) 、高峰值功率密度的激光在輻射金屬表麵發生汽化蒸發時產(chan) 生高壓衝(chong) 擊波，這些衝(chong) 擊波在材料表層形成密集、穩定的位錯結構的同時，使材料表層產(chan) 生應變硬化和殘留壓應力，從(cong) 而顯著提高材料的抗疲勞和抗應力腐蝕等性能。

激光衝(chong) 擊強化時產(chan) 生的衝(chong) 擊波壓力達到數GPa乃至TPa量級，衝(chong) 擊波在10～20ns內(nei) 將單脈衝(chong) 能量幾十焦耳的光能轉變成衝(chong) 擊波機械能，由於(yu) 衝(chong) 擊波作用時間短，僅(jin) 為(wei) 幾十納秒，應變率比機械衝(chong) 壓高出10000倍。激光衝(chong) 擊強化技術上述高壓、高能和超高應變率等特點可以用於(yu) 改善飛機和航空發動機結構中金屬材料的表麵性能，減少疲勞和腐蝕等失效的可能性，與(yu) 傳(chuan) 統的噴丸、滾壓、內(nei) 擠壓等多種表麵強化工藝相比，具有更多的優(you) 勢。

激光衝(chong) 擊強化技術開發於(yu) 20世紀70年代初的美國貝爾實驗室，由於(yu) 缺少可靠的、高脈衝(chong) 頻率的大功率激光器而一直未能實用化。直到上世紀90年代，美國利佛莫爾國家實驗室等開展了激光衝(chong) 擊強化技術的理論、工藝和設備研究，使該技術獲得了發展，1997年首次將此技術用於(yu) 航空發動機單體(ti) 葉片的強化處理，大幅度提升了葉片的抗異物破壞能力和高周疲勞性能。目前該技術可應用於(yu) 發動機整體(ti) 葉盤強化、機翼壁板成形、機身小孔強化等方麵。

整體(ti) 葉盤是提高發動機性能、簡化結構、減輕重量、提高可靠性的重要措施。激光強化可用於(yu) 葉片邊緣缺口小於(yu) #p#分頁標題#e# 3mm的葉片，使其使用壽命與(yu) 完好的未強化葉片相當，如圖4a)。在役未強化的整體(ti) 葉盤葉片出現微小裂紋後經衝(chong) 擊處理，疲勞強度仍能滿足要求。自2003年起美軍(jun) 將激光衝(chong) 擊技術應用於(yu) 航空發動機整體(ti) 葉盤，到2009年F22戰機上75% 的整體(ti) 葉盤都經過激光衝(chong) 擊處理。焊接接頭的力學性能不足和存在的殘餘(yu) 應力可能引起脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕破壞以及降低結構的穩定性。研究結果表明，經激光衝(chong) 擊處理後，2195鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的屈服強度提高60%、抗拉強度提高11%。機翼整體(ti) 壁板結構較大，型麵複雜，而且壁板內(nei) 部存在加強筋，如圖4b)。因而機翼壁板成形是飛機製造的重大難題。激光衝(chong) 擊成形用於(yu) 機翼壁板成形產(chan) 生的殘餘(yu) 壓應力深，容易控製成形參數而更具優(you) 勢。

圖4 a)采用激光強化處理整體(ti) 葉盤；#p#分頁標題#e#b) 采用激光強化處理機翼壁板

目前激光衝(chong) 擊技術一般采用工件固定、激光運動的方式進行。而且開始采用方形光斑代替圓形光斑以避免在衝(chong) 擊區的中心產(chan) 生應力空洞現象。方形光斑的采用使搭接率減少為(wei) 3%(圓形光斑的搭接率在20%以上)，不僅(jin) 強化效率大幅高，表麵粗糙度也得到改善。

激光材料加工技術的未來發展趨勢

自激光出現的60年 時間裏，激光以及激光材料加工技術發生的巨大進展無疑是喜人的，本文中的內(nei) 容隻是在一個(ge) 行業(ye) 應用的實例，還有很多突出的進展由於(yu) 篇幅有限在文中並沒有述 及。未來人們(men) 將繼續對激光與(yu) 材料之間的物理作用進行深入的探索，對相互作用區的物理現象逐漸加深，在這樣的基礎上人們(men) 可以更加準確的控製工藝過程，使激光 材料加工技術能更符合工業(ye) 領域的應用，擴大在激光材料加工技術在工業(ye) 領域的應用範圍。