激光焊在航空制造的应用研究

摘要：简述了激光焊的原理、特点，分别从国内外航空发动机的制造和修理、飞机的制造方面，分析和总结了激光焊在航空制造领域的应用现状，对激光焊在我国的扩大应用具有一定的参考价值。

关键词：激光焊；发动机；飞机；叶片；焊接

随着科学技术的发展，飞机和航空发动机产品不断的升级换代，其结构设计越来越复杂，制造精度更高，对制造技术提出了更高的要求。近年来，由于激光设备和工艺的发展，激光焊在航空制造领域占的份额不断扩大，国内外学者和各大航空制造企业对激光焊在航空制造领域的应用进行了大量的研究［1－13］。

1激光焊的原理及其特点

1．1激光焊的原理。激光焊接过程实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化和汽化等现象。当激光光子入射到金属晶体，光子与电子发生非弹性碰撞，将能量传递给电子，与此同时电子间也不断相互碰撞，光子的能量最终转化为动能，使材料温度升高，当温度达到材料熔点和沸点时，产生金属蒸发并形成壁聚焦效应，经过多次反射，能量到达孔底，随着工件和光的相对运动，能量最终被完全吸收，液体金属由于传热作用，温度迅速减低，凝固形成焊缝［14］。1．2激光焊的特点。激光焊的优点［15］：（1）激光束便于控制，精度高，可减少焊接变形，用于高精尖零件的焊接。（2）激光焊可以不使用电极，避免电极对焊缝的污染，同时可以不加焊丝进行焊接。（3）激光束不受距离限制，可以使用光纤进行传输和切换，易于实现自动化。（4）可焊接材料广泛，甚至可以用到异种材料的焊接。激光焊的缺点：（1）对焊件装配精度高，受激光光斑直径限制，对焊接间隙和错边量要求也较严。（2）设备购置费用高，前期资金投入大。

2激光焊在航空发动机上的应用

2．1激光焊在发动机制造上的应用。在我国，激光焊技术在多个航空发动机型号上得到了应用。西航公司成功将激光焊接应用到航空发动机叶片冷气导管的焊接，实现了异形板厚0．2mm薄壁钣金件高温合金的直线和曲线焊接。在某机发动机轴承座实现了曲线角焊缝的激光焊接，有效地控制了焊接变形，同时焊接了某机7层0．25mm厚指尖片的端面圆周焊缝，成功实现了长直焊缝的焊接，新机科研中也得到了较多的应用，解决了薄壁钣金件氩弧焊无法焊接的问题，掌握了薄壁零件激光焊接工艺和焊接夹具设计要点，编制了西航公司激光焊接工艺和验收企业标准。•专题综述•1DOI:10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2020.03.002黎明公司对钛合金的激光焊接进行了研究，并对比了激光焊焊缝和电子束焊焊缝的性能，结果显示2种焊缝的强度基本相同，但在焊缝的低周疲劳循环次数方面，激光焊焊缝比电子束焊焊缝的高了40％。在国外，激光焊被广泛应用于航空发动机的叶片、燃烧室、机匣等的制造中。如：美国GE公司将激光焊技术成功应用于喷气发动机的焊接中，实现了发动机衬套和导向叶片的激光焊，这是由于激光能量集中，从而降低了零件的焊接变形，故避免了镍基高温合金焊缝裂纹的产生。美国普惠公司通过应用研究，完成了导向叶片、机匣和燃烧室等零部件的多个机型的激光自动焊，如PW－220，PW2037，PW4000等型号发动机。日本发动机协会应用激光焊实现了V2500发动机风扇机匣前后两部分的激光焊。激光焊机器人由罗罗公司首次开发应用到航空发动机制造中，实现了钛合金的自动焊接，有效地控制了焊接过程，提高了焊接质量，控制了零件的焊接变形。自20世纪80年代后期开始，欧盟为了航空发动机减重设计，在钛合金、镍基、铁基高温合金方面开展长达8年的激光焊接技术研究，并成功应用到发动机制造中。2．2激光焊在发动机修理上的应用。激光焊中的熔覆技术是一种新的零件表面修复和改性技术，可以用来修复高价值零件表面的磨损或零件表面的特殊性能改变。国内外的研究主要应用于涡轮叶片、导向叶片、火焰筒、扩散机匣等零部件的制造和修理。在我国，黎明公司成功地将激光熔敷技术应用于某型新机涡轮叶片叶冠阻尼面的强化处理和某新机精铸空心叶片的铸造缺陷补焊。研究结果表明，激光熔覆层的零件表面质量优于涂层工艺的零件表面质量。西航公司应用激光熔覆技术，成功实现了燃气轮机火焰筒安装座的裂纹修理，收得了较好的修复效果，同时控制了安装座的变形。并通过显微组织分析和参数试验，掌握了激光熔覆修复钛合金叶片的加工技术，还完成了发动机涡轮封严盘篦齿磨损修复试验，并在发动机修理中得到了应用，节约了大量成本［16］，封严盘篦齿激光熔覆修理后形貌如图1所示。黎明公司通过一系列的工艺试验研究，掌握了裂纹激光修复方法，并成功将该技术应用到中介机匣焊缝激光补焊修复中［17］。在国外，激光熔覆技术主要用于修理发动机涡轮、导向叶片，并不断向自动化的方向发展，实现了叶片的自动化修复。美国Honywell公司采用激光焊成功修复了LF507叶片。采用激光焊修理与更换叶片相比，降低成本80％。目前，美国普惠公司采用激光自动焊技术成功制备出了钴基合金耐磨层，在两型发动机的PWA1455合金材料转子叶片锯齿冠阻尼面得到了应用。加拿大Liburdi公司应用激光自动焊实现了多级涡轮叶片的焊接修复。英国诺丁汉大学为了满足航空发动机叶片的修理，与罗罗公司合作设计了一套修理系统，成功实现了压气机叶尖的修理。德国MTU航空发动机公司为了解决氩弧焊修理叶片合格率低的问题，通过研究激光熔覆技术，实现了叶尖的修复，与氩弧焊方法相比较，合格率提高了20％，达到了95％。

3激光焊在飞机制造上的应用

激光焊技术在飞机制造中的应用与国外有一定差距，近年来随着国内激光发生器的研制技术水平提高和计算机控制技术的发展，激光焊对空间焊缝的适应性得到了有效地控制，激光焊逐步得到应用。激光焊技术目前在飞机制造中的典型应用主要为激光焊技术代替传统的铆接工艺、激光焊技术在钛合金和铝合金上的应用等。此外，还广泛应用于机身附件及薄壁零件的制造。采用激光焊后，不但产品质量好，而且生产效率高，可降低飞机的自身质量［18］。在我国，为了满足新型铝合金复合材料在飞机制造中的应用，哈尔滨工业大学开展了相关的激光焊试验，对比分析了焊缝的性能，结果证明激光焊优势明显。南京航空航天大学对飞机制造用铝锂合金的激光焊技术进行了研究，找到了焊缝等轴细晶区、焊接气孔和焊接裂纹的机理和控制措施［19］。随着钛合金材料在飞机制造中的扩大应用，钛合金激光焊技术的发展越来越重要，国内诸多科研院校对钛合金的激光焊技术进行了全面的研究，主要采用数值模拟、焊接试验、力学试验等，针对焊缝的组织、性能、焊接变形的控制、工艺设计、工艺装备的开发等进行了研究［20－26］。目前由第一飞机设计研究院、西飞公司和北京航空制造工程研究所合作，已成功将激光焊用于轰6系列和运7等型号飞机的钛合金腹鳍制造、钛合金蒙皮拼焊、壁板与长桁T形接头焊接等，如图2所示。另外，我国商飞设计的C9型客机机身壁板也采用了激光焊［27］。在国外，美国率先在20世纪70年代开展了飞机制造常用材料的激光焊试验、焊缝质量的评估、焊接工艺和验收标准的制订。欧洲的意大利也于20世纪70年代引进了激光焊接设备，开展了激光焊技术研究。欧盟于20世纪80年代也针对航空航天用钛合金，镍基、铁基高温合金开展了激光焊技术应用研究。激光焊技术代替传统的飞机铆接工艺，与传统的飞机蒙皮铆接技术相比较，激光焊技术可以简化蒙皮制造工艺、缩短其生产周期，如避免加工铆钉孔，又可以降低飞机的自身质量。随着激光焊技术的发展，其已在波音、空中客车多个型号中得到了应用。为了实现激光焊在飞机制造中的应用，空中客车公司进行了近8年的研究。目前已成功应用于多个机型取代铆接工艺，这项技术被称为飞机制造业的一场工业技术革命。激光焊用于A318飞机机身壁板的桁架杆，既降低了成本，还提高了耐蚀性，减小了自身质量，减少了裂纹扩展。在空客公司A318，A340和A380飞机上的所有铝合金内隔板实现了激光焊，成功将激光焊应用于2mm厚6013铝合金壁板与4mm筋条的焊接，取代了铆接工艺，使得机身质量减小18％，制造成本降低25％左右。为了提高德国的高端制造水平，德国将激光焊技术作为航空制造领域的重点研究对象，并将其作为两大前沿技术之一［28］。英国焊接研究所针对轻合金在航空上的应用，研究了航空用AA2014铝合金加强肋和基板的激光焊技术，成功实现了双光束激光填丝焊接。研究结果证明，焊缝的性能和焊接变形均优于常用的氩弧焊工艺，飞机铝合金壁板双光束激光填丝焊如图3所示。在空客A380上，激光焊技术应用于多个部位的连接，通过激光焊技术代替铆接工艺，节约铆钉达20000kg，这部分载质量全部转化为了飞机的载客数量，使其成了单座能耗最低的飞机。激光焊技术在飞机制造用钛合金零部件制造上的应用不断扩大。钛合金目前主要用于制造飞机机身、机翼、承重部件等。美国的爱迪生焊接研究所就与军方合作，开展了针对战机、军舰和装甲车等激光焊技术的应用研究，如美国的F15飞机机体就采用了自身质量达7000kg的钛合金，占飞机自身质量的34％；B－1轰炸机上的钛合金占飞机自身质量的21％。

4结语

激光焊由于其独特的优势，同时作为一种高新技术，在国外航空制造领域得到了较为广泛的研究和工程应用，并不断发展和创新。近年来，由于国内激光焊设备的研发，其在航空制造领域的工艺开发和应用正不断提升，未来激光焊技术必将发挥更大的作用。

作者:李琳 单位:中国航发西安航空发动机有限公司