鈦合金雙向加筋壁板結構雙光束激光焊接

輕量化、超聲速巡航、優(you) 良的隱身性能、長使用壽命、高可靠及低成本已經成為(wei) 當前世界航空航天飛行器結構設計與(yu) 製造的重要發展趨勢。整體(ti) 化設計與(yu) 製造的蒙皮類、型腔類及壁板類結構是航空航天飛行器“金屬外衣”的主要結構形式，並對飛行器的機動性能、氣動性能、隱身性能及使用壽命等產(chan) 生重要的影響。先進的特種焊接技術是航空航天飛行器結構的主要製造技術之一，包括電弧焊接技術、電子束焊接技術、激光焊接技術、摩擦焊接技術等。其中，激光焊接技術在以“大尺寸、薄壁結構、複雜型麵”為(wei) 特征的蒙皮類、型腔類及壁板類結構的整體(ti) 化焊接製造方麵具有獨特的優(you) 勢，成為(wei) 當代航空航天飛行器“金屬外衣”整體(ti) 化製造的關(guan) 鍵技術。

激光焊接技術，在突破了以“匙孔”吸收為(wei) 特征的激光深熔焊接技術後，激光光束能量密度高達10^6W/cm^2以上，其焊接熱輸入低、焊接速度快、焊縫和熱影響區窄、焊接變形小、對母材熱損傷(shang) 小、可以在惰性氣體(ti) 保護氣氛環境中進行焊接；並且波長為(wei) 1.06μm的Nd:YAG激光還可以采用柔性光纖傳(chuan) 輸，配以可靈活操作的機械手，為(wei) 實現空間曲線焊縫的自動焊接提供了可能。

歐美等國在上世紀80年代末至90年代初，就開始將激光焊接技術大量應用於(yu) 航空航天飛行器製造。其應用主要集中在零件級別的以焊代鉚和零件之間的以小拚大兩(liang) 個(ge) 方麵，即蒙皮類、型腔類及壁板類結構的對接拚焊，涉及的金屬材料主要包括鈦合金、鎳基和鐵基高溫合金等。

然而，由於(yu) 國內(nei) 缺少大功率與(yu) 高光束品質激光器件等因素，我國在激光焊接技術研究和應用方麵起步較晚。1995年，在中航工業(ye) 製造所關(guan) 橋院士的積極呼籲下，我國依托中航工業(ye) 製造所，建立了高能束流加工技術重點實驗室，專(zhuan) 門從(cong) 事高能束流加工技術研發及裝備研製工作，其中激光焊接技術是實驗室重點研究和應用方向之一。通過從(cong) 國內(nei) 相關(guan) 單位引進激光器件，自主設計與(yu) 配套相關(guan) 裝備，實驗室迅速開展了激光焊接工藝可行性研究，以及航空航天飛行器常用金屬材料激光焊接特性基礎研究等工作。為(wei) 克服單一激光焊接對零件裝配精度要求過高，在高功率、高速度焊接條件下易於(yu) 產(chan) 生氣孔、咬邊等各種焊接缺陷，以及某些高反射率金屬材料焊接時存在困難等問題，在激光電弧複合焊接技術方麵，實驗室也開展了係統的研究工作。如采用激光與(yu) 激光複合方式的多光點激光焊接技術、連續激光/脈衝(chong) 激光焊接技術，采用激光與(yu) 外部熱源複合方式的激光/TIG焊接技術、激光/MIG焊接技術、激光/PLASMA焊接技術、激光/電磁感應加熱焊接技術，采用激光與(yu) 填加材料複合方式的激光填絲(si) 焊接技術、激光填粉焊接技術、活性劑激光焊接技術，以及上述各種焊接技術的複合等。通過適當擴大激光熱源的作用範圍、引入外部熱源，以及在焊接過程中填加合適的材料等方式，激光複合焊接技術利用熱源之間、熱源與(yu) 材料之間的“增強互動”效應，克服了單一激光焊接存在的固有缺陷，進一步優(you) 化和完善了激光焊接技術工藝體(ti) 係，為(wei) 激光焊縫的控形與(yu) 控性提供了更靈活多樣的技術手段。

     進入21世紀，雙光束激光焊接技術的應用為(wei) 世界航空製造業(ye) 帶來了一次偉(wei) 大的技術變革。為(wei) 解決(jue) 壁板結構蒙皮與(yu) 加強筋之間T型接頭的焊接問題，該技術采用兩(liang) 束激光對壁板結構T型接頭兩(liang) 側(ce) 同步施焊，完成蒙皮與(yu) 加強筋之間的連接。雙光束激光焊接技術由於(yu) 采用了對稱的焊接熱源，從(cong) T型接頭兩(liang) 側(ce) 同步施焊，最大程度地減小焊接產(chan) 生的變形，保證蒙皮外型麵的形狀精度。因此，雙光束激光焊接技術在國外航空製造領域迅速得到了應用。空客公司在以A380為(wei) 代表的係列機型上均大量采用了雙光束激光焊接的鋁合金整體(ti) 壁板，即采用雙光束激光焊接技術將6013 T6鋁合金機身蒙皮與(yu) 6013 T6511鋁合金加強筋焊接成為(wei) 整體(ti) 機身壁板，取代原有的鉚接密封壁板，強度提高近20%，結構重量減輕近20%，成本降低25%。雙光束激光焊接技術的這些應用使焊接技術成功地實現了從(cong) 零件級到部件級，甚至部件間連接的質的跨越，這被認為(wei) 是航空製造業(ye) 的一次偉(wei) 大的技術變革。

      緊跟國外激光焊接技術研究和應用的發展，中航工業(ye) 製造所高能束流加工技術重點實驗室組建了一支團結協作、激情進取、求實創新的精英團隊，先後建立了10kW光纖激光和3kW YAG激光以及4kW CO2激光焊接係統，以整體(ti) 化焊接的鈦合金、鋁合金蒙皮類、型腔類及壁板類結構為(wei) 研究對象，先後開展了激光深熔焊接技術、各種激光複合焊接技術，以及雙光束激光焊接技術等的基礎與(yu) 應用研究，並成功地將活性劑激光焊接技術應用於(yu) 飛機鈦合金蒙皮類和型腔類結構的對接拚焊。雙光束激光焊接技術研究也獲得重大突破，並應用於(yu) 飛機鈦合金壁板類結構蒙皮與(yu) 加強筋之間的整體(ti) 化焊接（如圖所示）。今天的高能束流加工技術重點實驗室的激光焊接技術無論在研發平台還是在技術水平方麵都站在了國際最前沿。

     隨著技術的更新與(yu) 發展，激光焊接已不再是一種單純意義(yi) 上的加工製造技術，已發展成為(wei) 激光能量場與(yu) 品質、材料冶金、結構力學、自動化、計算機等多學科集成的工程製造技術，顯現出極高的技術附加值。激光焊接技術的發展方向更趨於(yu) 加工過程的自動化和智能化、複合束源和集成化，並向著高品質、高功率、高效率、多功能和結構功能一體(ti) 化方向發展，同時隨著其在航空領域及其他領域的應用愈加廣泛和成熟，激光焊接技術必將成為(wei) 我國航空事業(ye) 和其它軍(jun) 工領域傳(chuan) 統製造業(ye) 改造升級不可或缺的重要技術。