激光是原子在受激幅射放大過(guò)程中發(fā)出的光。激光加工則是利用高能量密度激光束照射工件，將材料加熱、熔化、氣化的一種無(wú)機(jī)械接觸的加工方法。

由于它具有無(wú)接觸、不需要工模具、清潔、效率較高、方便實(shí)行數(shù)控和可以用來(lái)進(jìn)行特殊加工，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、冶金、航空航天、機(jī)械等眾多領(lǐng)域?？捎脕?lái)進(jìn)行打孔、切割、銑削、焊接、刻蝕、大型零件的強(qiáng)化和修復(fù)、材料表面改性和材料合成、模具、模型和零件的快速制造等。

激光加工技術(shù)

在航空制造業(yè)中，激光技術(shù)扮演著越來(lái)越重要的角色?？梢哉f(shuō)是一言不合就用激光，到底激光技術(shù)強(qiáng)大在哪里，今天就給大家來(lái)聊聊激光技術(shù)的那些應(yīng)用。

激光加工技術(shù)廣泛用于航空制造中

激光打孔

激光打孔是一種最早達(dá)到實(shí)用化激光加工技術(shù)，同樣也是激光加工的主要領(lǐng)域之一。這種技術(shù)的特點(diǎn)是能加工到1μm的微孔，尤其適合加工與表面成各種角度的小孔，薄壁零件的小孔、復(fù)合零件的深小孔以及硬、脆、軟和高強(qiáng)度等難加工材料上的微小孔。激光打孔與工件材料的剛性、強(qiáng)度、脆性等機(jī)械性能無(wú)關(guān)，能在鈹、銅、鋁、鋅、鐵、不銹鋼、耐熱合金、硬質(zhì)合金等材料上打孔，并且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

激光打孔

固體激光器在金屬打孔加工中占用主導(dǎo)地位。目前國(guó)外的發(fā)動(dòng)機(jī)公司廣泛采用固體激光器加工發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的小孔。為提高小孔加工加工水平，國(guó)外采用高重復(fù)頻率Nd；YAG激光器和穩(wěn)定的基模輸出激光器。目前國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司使用平均功率為400W的Nd；YAG激光器加工鎳基合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片小孔。

YAG激光器內(nèi)部圖

美國(guó)普惠公司用座標(biāo)釹玻璃激光器在鎳鈷合金渦輪葉片上加工直徑為0.5mm，深為3.1mm的冷卻孔，只用7秒鐘。

釹玻璃激光器

國(guó)外一些航空活門制造廠廣泛采用激光打孔。采用50WCO2激光打孔，打出孔徑為0.2mm-1mm，加工時(shí)間為50ms-80ms，效率可以達(dá)到300孔/分。

CO2激光器

激光切割

激光切割是激光在材料加工中另一項(xiàng)成熟的應(yīng)用。激光切割范圍和很寬，它可以切割各種高硬度、高熔點(diǎn)的金屬、非金屬等各種材料。激光切割具有切縫窄、速度快、熱變形小，省材等優(yōu)點(diǎn)。并可切割硬質(zhì)材料、脆性材料及粘性材料。

激光切割技術(shù)

相較于傳統(tǒng)的切割方法，激光切割技術(shù)的高精度、強(qiáng)適應(yīng)性以及噪聲小、切割質(zhì)量好等待點(diǎn)被大面積的應(yīng)用，與此同時(shí)，對(duì)于一些復(fù)雜且借助大型磨具完成的加工操作，在激光切割技術(shù)的應(yīng)用下，不僅不需要應(yīng)用磨具，同時(shí)還能夠保證切割的質(zhì)量，在降低生產(chǎn)成本的過(guò)程中，提高生產(chǎn)效率。因而，激光切割技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空制造等領(lǐng)域中。

激光切割鈑金

在航空工業(yè)中激光切割的材料有：鈦合金、鎳合金、鉻合金、鋁合金、不銹鋼、塑料、復(fù)合材料等。在航空設(shè)備制造中，外殼采用特殊金屬材料制成，強(qiáng)度高、硬度高、耐高溫，普通的切割手段很難完成材料的加工，激光切割是一種高效的加工手段，可激光切割加工飛機(jī)蒙皮、蜂窩結(jié)構(gòu)、框架、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等。激光切割一般用連續(xù)輸出的激光器，也有高重頻二氧化碳脈沖激光器。

激光切割航空零件

激光焊接

激光焊接是以激光為熱源進(jìn)行的焊接。激光是一束平行光，用拋物面鏡或凸透鏡聚焦，可以得到較高的功率密度。用高密度的激光熱源進(jìn)行焊接，可焊接熔深要求較大的焊縫。

激光焊接

與其他焊接方法相比，激光焊接有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、焊接輸入熱量可受控并降低到最低需要量，焊接熱影響區(qū)金相變化范圍可以很小，零件焊后導(dǎo)致的變形亦最?。?/p>

2、無(wú)電極，無(wú)電極污染或受損的顧慮，機(jī)具的耗損及變形可降低至最低；

3、焊接不受距離限制，可以切換裝置將激光束傳送至多個(gè)工作站，易于自動(dòng)化高速焊接；

4、激光束不受磁場(chǎng)干擾，便于精確對(duì)準(zhǔn)焊件，焊接精度高；

5、不需要真空，也不需做射線防護(hù)。

目前，激光焊接機(jī)已達(dá)到脈寬從20μs到20ms；平均功率10W到500W；每個(gè)脈沖能量0.1J到100J；重復(fù)頻率0.1Hz-600Hz?，F(xiàn)在美國(guó)、日本、蘇聯(lián)等發(fā)達(dá)國(guó)家都研制出性能先進(jìn)的固體激光焊接，有的已步入商品行列，應(yīng)用于航空、航天、電子工業(yè)中，如航空模盒、儀表殼體、波紋管、顯像管、各種熱敏元件等。

激光焊接器

在航空工業(yè)中激光焊接技術(shù)應(yīng)用的很廣泛。

以激光焊接代替飛機(jī)鉚接工藝：

目前的鋁合金板材結(jié)構(gòu)的連接一般仍采用傳統(tǒng)的鉚接工藝，但是這種工藝存在不可避免的問(wèn)題，如飛機(jī)質(zhì)量增加，需要預(yù)加工工藝孔，準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。

使用激光焊接不論從降低飛機(jī)制造成本、縮短生產(chǎn)周期、還是減輕飛機(jī)質(zhì)量、體高飛機(jī)性能方面都有良好的表現(xiàn)。目前，激光焊接已應(yīng)用于波音、空客等主要航空企業(yè)的飛機(jī)制造中。

激光焊接蒙皮與長(zhǎng)桁

普惠公司在美國(guó)空軍項(xiàng)目IMIP計(jì)劃資助下，建立了渦輪葉片激光焊接中心，可以完成渦輪葉片所需要部件的自動(dòng)激光焊接，如JT9D和FLO的二級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子葉片以及V2500、F100PW-220、PW2037、PW4000等發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、機(jī)匣、燃燒室等均采用激光焊接工藝技術(shù)。V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣前后段就是日本JACE的相關(guān)公司采用6kw的CO2激光將其焊接成整體的。

V2500 發(fā)動(dòng)機(jī)

激光沖擊強(qiáng)化

激光沖擊強(qiáng)化簡(jiǎn)稱LSP技術(shù)，是一種利用激光沖擊波對(duì)材料表面進(jìn)行改進(jìn)，提高材料的抗疲勞度、磨損和應(yīng)力腐蝕等性能的技術(shù)。

利用高功率短脈沖激光與板材相互作用產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波，在工件表面形成瞬時(shí)溫度高達(dá)10000℃的高溫和數(shù)GPa的高壓，使金屬材料發(fā)生微彈塑性變形，從而提高金屬材料的疲勞壽命和抗疲勞磨損機(jī)械性能，達(dá)到航空器材改性目的。航空鋁合金7050T541在經(jīng)過(guò)激光沖擊強(qiáng)化處理后，試件沖擊區(qū)表面的殘余應(yīng)力與未經(jīng)沖擊處理區(qū)相比，有了極高的提高，可以達(dá)到-147MPa～-237MPa以上的水平，試件疲勞壽命能提高到未經(jīng)沖擊處理試件的518%以上。

激光沖擊強(qiáng)化

激光沖擊強(qiáng)化的應(yīng)用剛開(kāi)始進(jìn)程不快，范圍也不廣，1974年和1983年美國(guó)人僅取得了兩項(xiàng)發(fā)明專利，1996年以后，人們充分認(rèn)識(shí)到其能顯著提高表面殘余壓應(yīng)力和表面疲勞壽命，并能控制表面裂紋的發(fā)生和生長(zhǎng)。如今，激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用飛速發(fā)展，通用電氣公司在激光沖擊強(qiáng)化上取得了至少23項(xiàng)美國(guó)專利。

激光沖擊強(qiáng)化加工金屬表面

在航空領(lǐng)域中，激光強(qiáng)化處理可用來(lái)整修飛機(jī)上的緊固件等，目前飛機(jī)上所使用的緊固件數(shù)量驚人，僅對(duì)于在機(jī)翼還是機(jī)翼或機(jī)身的各種重要部件而言，每架飛機(jī)緊固件數(shù)量也高達(dá)3-20萬(wàn)件。因此，開(kāi)展激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)能改善飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的緊固件周圍疲勞性能的應(yīng)用研究，提高飛機(jī)的安全性、可靠性和使用壽命均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

激光沖擊強(qiáng)化緊固件

提高關(guān)鍵零部件的耐磨性和高頻疲勞壽命方面，激光沖擊強(qiáng)化能在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，并可深達(dá)1.0mm至2.0mm，而普通的機(jī)械噴丸硬化只有0.25mm深。較大的殘余壓應(yīng)力對(duì)諸如渦輪葉片這一類的部件的關(guān)鍵區(qū)域有著至關(guān)重要的作用，其可防止裂紋擴(kuò)展，延長(zhǎng)葉片壽命。激光沖擊強(qiáng)化特別適合強(qiáng)化有應(yīng)力集中的局部重點(diǎn)疲勞區(qū)，如孔、槽、圓角等，適合于激光沖擊強(qiáng)化處理的材料為碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金高溫合金等。適合處理的零件很多，如齒輪、軸承、連接桿、渦輪葉片、軸等。精加工后的工作面，可阻止處理部位材料裂紋的擴(kuò)展。

發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化

激光熔覆

激光熔覆是材料表面改性技術(shù)的一種重要方法，它是利用高能激光束子在金屬表面輻照，通過(guò)迅速熔化、擴(kuò)展和迅速凝固，冷卻速度通常達(dá)到102-106/s，在基材表面熔覆一層具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的材料，從而構(gòu)成一種新的復(fù)合材料，以彌補(bǔ)機(jī)體所缺少的高性能，這種復(fù)合材料能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)互相的不足。對(duì)于某些共晶合金，甚至能得到非晶態(tài)表層，具有極好的抗腐蝕性能。

激光熔覆技術(shù)

國(guó)內(nèi)外研究表明，決定激光熔覆宏觀、微觀質(zhì)量的因素主要是激光參數(shù)、材料特性、加工工藝及環(huán)境條件；激光束、粉末和基體之間的相互作用時(shí)間等。一個(gè)良好的熔覆層應(yīng)該具有較低的稀釋率，無(wú)開(kāi)裂、無(wú)氣孔、無(wú)夾渣、使用時(shí)無(wú)脫落，熔覆層與基體呈冶金結(jié)合，性能均勻，外觀平整，能滿足預(yù)定的使用性能要求，如：耐磨、耐腐蝕、抗氧化、高硬度、高強(qiáng)度等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞熔覆層質(zhì)量做了大量工作，并取得很大的進(jìn)展。

激光熔覆技術(shù)修復(fù)磨損模具及工件

在航空工業(yè)是最先吸取激光熔覆的優(yōu)點(diǎn)用于生產(chǎn)的部門，因?yàn)樗粌H能用于加工零部件，而且能用于修理零部件。第一個(gè)激光表面熔覆應(yīng)用在1981年Rolls-Royce的RB211飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓葉片連鎖。航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金和鎳合金摩擦副的接觸磨損是發(fā)動(dòng)機(jī)使用和維修中的一大難題，通過(guò)激光熔覆技術(shù)則可獲得優(yōu)質(zhì)的涂層，為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的修復(fù)開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新的局面。如針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子部件，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片葉尖鎖口部位的實(shí)際使用情況，研究了激光表面熔覆高溫耐磨涂層的激光噴涂技術(shù)，提高了合金基體耐高溫及抗腐蝕性能。再者通過(guò)利用激光熔覆技術(shù)熔覆鈷基合金，提高了耐熱和耐磨性能。

經(jīng)過(guò)激光熔覆修復(fù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片

齒輪軸激光熔覆修復(fù)

激光近形制造技術(shù)

激光近形制造是基于局域送粉的金屬零件快速制造方法，它是在激光涂覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。激光涂覆的目的是通過(guò)在被加工工件的表面熔覆功能層來(lái)提高工件的耐磨性和抗腐蝕能力，常用于零件或者模具的修復(fù)。為了實(shí)現(xiàn)修復(fù)，補(bǔ)充缺損的材料，常常進(jìn)行多層加工，在此基礎(chǔ)上形成了激光生長(zhǎng)技術(shù)。

激光近形制造技術(shù)

激光近形制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用直接體現(xiàn)在航空用鈦合金結(jié)構(gòu)件的直接制造以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的快速修復(fù)方面。在四代機(jī)F-22中鈦合金結(jié)構(gòu)件用量占機(jī)身結(jié)構(gòu)重量的41%，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中鈦合金占發(fā)動(dòng)機(jī)重量25%-40%。鈦合金用量的高低已經(jīng)成為衡量飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等國(guó)防裝備先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。由于大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的傳統(tǒng)制造方法具有成本高、鍛造模具準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、大型以及超大型工業(yè)設(shè)施匱乏、數(shù)控加工設(shè)備稀缺、機(jī)械加工量大、材料利用率低等弱勢(shì)，采用激光近形制造技術(shù)直接制造大型鈦合金結(jié)構(gòu)件顯示了巨大的優(yōu)勢(shì)。

激光近形制造技術(shù)制造的戰(zhàn)機(jī)外掛架艙壁

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的快速修復(fù)方面LENS技術(shù)也發(fā)揮了極大的優(yōu)勢(shì)。例如美軍為了取得軍事上的優(yōu)勢(shì)在惡劣的沙漠環(huán)境中使用T700黑鷹直升機(jī)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)上很多帶葉片的葉輪受到沙粒侵蝕，使直升機(jī)的飛行壽命銳減。葉輪的侵蝕不僅減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行壽命，還導(dǎo)致燃料損耗增加、馬達(dá)動(dòng)力減弱、工作溫度升高以及壓氣機(jī)和渦輪零部件的損害。如果更換整個(gè)葉輪，成本將非常昂貴。美軍引入了LENS技術(shù)對(duì)破損的零部件進(jìn)行修復(fù)。

激光近形制造技術(shù)修復(fù)的葉輪上的葉片

激光航空儀表裝置中的應(yīng)用

1.激光測(cè)距

利用激光極好的方向性、高強(qiáng)度，可以制成激光測(cè)距儀、激光雷達(dá)等。它測(cè)量目標(biāo)的距離、方位和速度非常精確，比普通微波雷達(dá)高的多。

激光測(cè)距原理

用機(jī)載激光測(cè)距系統(tǒng)來(lái)測(cè)定沿海水深，不僅速度快，而且可對(duì)船舶不易接近的水域進(jìn)行測(cè)量；激光測(cè)云儀，可精密測(cè)量云層的分布，這對(duì)氣象研究有重要意義。

激光測(cè)距

2.激光陀螺

激光陀螺是測(cè)定物體轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的一種儀器，是導(dǎo)航和制導(dǎo)的關(guān)鍵設(shè)備。激光陀螺的發(fā)展已有二十幾年，正日趨成熟，在各種慣性制導(dǎo)和導(dǎo)航領(lǐng)域中都可以應(yīng)用。

激光陀螺內(nèi)部

目前世界上已有美、英、法、德等國(guó)家的數(shù)十家公司在研制開(kāi)發(fā)。僅美國(guó)研制激光陀螺的公司就有十多家。

民航是激光陀螺應(yīng)用的大戶。1982年美國(guó)的霍尼韋爾公司首創(chuàng)的ARINO704激光陀螺慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)入航線使用。1986年該公司已交付24套激光陀螺慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)，應(yīng)用在波音757、767、737等機(jī)型上。除了導(dǎo)航外，激光陀螺還可應(yīng)用于精密測(cè)量、姿態(tài)控制、定位等民用領(lǐng)域。

激光陀螺

3.激光準(zhǔn)直

由于激光具有良好的單色性、方向性及高強(qiáng)度，加上裝置得到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此在各種工程中廣泛地當(dāng)作基準(zhǔn)線使用。

目前激光準(zhǔn)直大都采用氦氖激光器，它發(fā)出紅光束，很容易觀察，并能在相當(dāng)大的距離內(nèi)工作。在航空工業(yè)中，激光準(zhǔn)直除了飛機(jī)型架的安裝外，還可以用于飛機(jī)的水平測(cè)量，如用來(lái)測(cè)量機(jī)翼的安裝角、上反角及舵面的偏轉(zhuǎn)角，襟翼或副翼的偏轉(zhuǎn)角；測(cè)量機(jī)身各段和發(fā)動(dòng)機(jī)的同軸性等。

激光準(zhǔn)直應(yīng)用

有關(guān)激光技術(shù)的介紹就先到這里吧。

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