高功率激光加工装备推动航空航天领域的发展

罗敬文

（上海团结普瑞玛激光设备有限公司，上海 201111）

1 激光加工的主要特点和应用概况

激光加工具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性四大特点。目前，经由聚焦后获得极高的能量密度的激光光束，已广泛应用于切割、焊接、熔覆、打孔和材料改性等激光工业。激光行业能有如此迅速而密集的发展，得益于其不可比拟的生产优势：首先，切割加工无需模具，可代替采用复杂模具冲切的加工方法，能大大缩短生产周期和降低生产成本；其次，焊接热影响区小，因而热变形小、焊缝致密、加工污染小、无噪声；第三，激光可切割大部分的金属和非金属材料，尤其是其他工艺方法无法加工的超硬材料和稀有金属等。

迎着良好的发展势头，迄今为止，激光加工已被广泛应用于航空航天、船舶制造、汽车制造、电气制造、运输机械、纺织机械、粮食机械、兵器工业、农业机械、特种汽车、食品机械、医疗机械、工程机械、石油开采、木工机械、激光加工、工具制造、印刷包装、厨房设备等行业，以及专业化钣金加工、钢材及不锈钢专业化市场、钢结构、仓储物流设备、机床及附件制造、仪器仪表和科研院校。其中，用于切割的激光设备（占激光应用设备的60%），70%的设备用于金属2D激光切割，应用领域有电器开关、电梯制造、纺织机械、粮食机械、工程机械、国防工业、汽车制造、工量刃具、轻工机械、石油机械等;20%用于非金属激光切割，如印刷包装行业中的刀模板的切割，工艺美术和装饰行业中的像册封面的切割和美术字体广告标牌的切割等；10%用于金属3D激光切割，包括汽车厂试制车型，中小批量车型的柔性化生产，航空发动机叶片、轮毂的激光切割等。此外，制造业中相当部分的焊接由激光完成(约占25%)，激光特种加工、激光热处理、熔覆（3D打印）设备均已用于航空零件及叶片的直接制造、汽车及内燃机缸套、活塞、曲轴、轧辊、钻杆的加工（约占15%）。

2 国内高功率装备市场的发展趋势

从国际切割装备市场来看，中国市场的发展潜力巨大。中国激光切割装备的应用比国外发达国家要滞后约10年，但在时间上，我国还有广阔的发展前景。金融危机前，全球大功率激光切割装备每年需求量约为4 000台，在欧洲销售量约占38%，在美洲约占28%，其余约30%主要在日本和亚洲其他国家与地区。20007年前，中国每年引进的设备约200台，约占需求总数的4%，我国自主生产的激光装备，无论是在国内还是在国外都有巨大的市场优势。到目前为止，日本约有总量为11 000台的大功率激光装备，而中国仅为4 000台，我国在生产制造技术革新中，还有很大的提升空间。

从中国市场激光切割装备的需求量变化来看，大功率激光切割装备的需求在中国经历了一个由慢到快的发展过程。1985～1990年，我国每年的需求量约10台，国人对此项新技术的认识处于萌芽阶段，购买者几乎全部为国有企业；从1991～2000年，激光切割技术已逐渐被认识，但由于设备价格昂贵，平均每年需求量不足40台，销售对象以国有企业为主，民营企业为辅；2001～2005年，由于改企转制的到位，加之中国成功加入WTO，世界制造基地的逐渐形成，国内市场需求量从2001年的80台蹿升至2005年200台套；2005年以后，我国进入了快速发展期，国内市场需求量仅2010年就达到近1 100台。

3 高功率激光装备在航空航天领域的应用

对于三维航空零件，我们已经利用三维激光切割机进行了各种工艺所需的加工。株洲南方动力机械厂（国营331厂）的发动机轮毂的三维切割就是由普瑞玛三维激光切割机完成的，此外，整流罩、飞机上椎体结构等三维零件都能使用激光完成立体切割。

空中客车A380(Airbus A380)是欧洲空中客车工业公司研制的550座级超大型远程宽体客机，与波音747-400相比，空中客车A380投产时多提供了约35%的座位和49%的地板空间，使其拥有更宽的座椅、更开阔的空间，而且座位英里成本比最有效的飞机低15%～20%。A380机身舱体第13区及第18区共计7个部分，就是运用了激光焊接代替原来的铆钉铆接的连接方法，使机身总质量减轻了20 t（机身净重的15%），成本下降了25%，这就为增加座位、提高运载量、降低耗油量提供了最大可能。从2001年开始试点安装，2003年开始批量生产，A380共计使用了10台板条激光器用于生产及试样，其中，1997年Nordenham工厂安装的两台3D系统CO2激光器，加工幅面为6 m×3 m×0.9 m，速度达到10 m/min，不仅提高了加工速度20～40倍，而且成本也大幅缩减。A380在投入服务后，打破波音747在远程超大型宽体客机领域统领35年的纪录，结束了波音747在市场上30年的垄断地位，成为载客量最大的民用客机。

由于激光熔覆直接制造零件工艺装备的突破，该项工艺也将得到突飞猛进的发展。激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照，使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重金属。与之同理的3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。现在，导弹的尾翼、歼十五飞机的起落架、商用飞机的机翼骨架都应用了激光熔覆技术，既保证了构件的强度，又降低了成本。

激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。被激光冲击强化的航空发动机叶片，寿命能得到成倍提高。首先，叶片表面会被涂上涂层，其作用主要是保护叶片不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收。然后高功率密度、短脉冲的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温等离子体。该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，叶片发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为叶片表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，提高了叶片疲劳裂纹萌生寿命。同时残余压应力的存在，可引起表面裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。美国20世纪90年代后期开始的航空发动机高频疲劳研究计划中，将激光冲击强化技术列为工艺技术措施首位。目前，美国研制的航空发动机叶片寿命已达到2 000 h，俄罗斯达到1 000h，而我国仅为400 h，还处于初期开发阶段。

美国当地时间2003年2月1日，载有七名宇航员的美国哥伦比亚号航天飞机在结束了为期16天的太空任务之后，返回地球，但在着陆前发生意外，航天飞机解体坠毁。这种坠毁就是由于舱体表面和大气层摩擦中温度过高，超高温空气从机体表面缝隙入侵隔热瓦下部进而热化机身最终爆炸。而利用激光在复合材料表面喷涂耐高温的涂层，例如陶瓷粉涂层，就能在表面形成保护隔热层，避免类似事件的发生，这种方法称为激光喷涂。而与之相比较的传统等离子喷涂，在很多方面都不如激光喷涂。激光喷涂表层稳定性和牢固性更好，且喷涂材料涵盖了金属材料和非金属材料，应用范围更广，包括各种航空航天设备和军事突防武器。

激光涂层清洗是美国和波音公司合作开发，用来剥离飞机军舰表面涂层的工艺。一般的航天航空飞行器表面都有六层涂层，每层都有相应的防护作用，涂层脱落就需要从新涂上表面涂层，这就需要把残缺的涂层全部剥离，传统的方法是机械刮除，深浅控制不好，极易破坏更深的涂料。而激光的高精密性就能精确地控制破坏深度，安全地清洗掉飞机表面涂层。

另外，也能将激光用于飞机发动机的轮毂打斜孔，方便冷空气窜入以冷却发动机，将温度控制在正常范围之内，从而延长发动机的使用寿命，这就是激光打孔。

各种激光武器也已经被陆续研发出来，美国雷神公司采用高功率激光制成的20万kW的激光炮已在三年前成功击落了无人机。试验表明，激光炮可以用于战场打击多种常见目标，这样，激光武器也从最初主要设想用于反制卫星、导弹和飞机这类昂贵目标，扩大到对一切战场工具的打击。

4 结论

中国在今后的一段时期内，不但切割装备快速增长，焊接装备也会迎来大好的发展时机，大功率激光3D切焊一体机、大功率激光特种加工装备、大功率激光加工FMS系统、大功率激光焊接工业系统将在我国各行各业被广泛应用，同时在国防、航空航天领域将发挥出巨大的作用。