航空電子關(guān)于激光切割和焊接的應(yīng)用

近年來(lái)，航空航天領(lǐng)域——包括商用和衛(wèi)星、航天器、無(wú)人機(jī)和無(wú)人駕駛飛行器（UAV）發(fā)生了一些翻天覆地的變化。越來(lái)越多的公司加入了太空競(jìng)賽，其中許多公司需要?jiǎng)?chuàng)新的制造技術(shù)。

相比之下，新冠疫情造成的旅行限制對(duì)商業(yè)航空的影響，導(dǎo)致民用飛機(jī)制造率下降了三分之一。

2019年，歐洲是民用飛機(jī)和直升機(jī)生產(chǎn)（包括各種零部件和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)）的全球領(lǐng)導(dǎo)者之一，提供了約40萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位，創(chuàng)造了1300億歐元的收入。雖然太空探索和國(guó)防基本上沒(méi)有受到新冠大流行的影響，但民用飛機(jī)的生產(chǎn)制造卻仍處于恢復(fù)階段。

在2023年2月出版的《商業(yè)航空不確定性規(guī)劃》（Uncertainty in Commercial Aerospace）中，知名咨詢調(diào)研企業(yè)麥肯錫報(bào)告稱，全球需要在2027年底之前消化掉建造9400架客機(jī)（主要是窄體噴氣式飛機(jī)）的積壓訂單。但航空客運(yùn)的未來(lái)增長(zhǎng)、供應(yīng)鏈和勞動(dòng)力的健全性都存在不確定性。因此，制造商需要提高生產(chǎn)效率和靈活性，以處理好積壓的產(chǎn)品，并對(duì)未來(lái)需求的變化做出反應(yīng)。

激光加工提高生產(chǎn)率和保持低成本的能力，或?qū)⒃趯?shí)現(xiàn)航空航天工業(yè)的這種反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。激光加工——以切割、焊接、噴丸和鉆孔等形式實(shí)現(xiàn)操作，已經(jīng)成為了航空航天制造不可或缺的一部分。

例如，激光用于制造飛機(jī)機(jī)翼的襟翼、機(jī)翼緊固件、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件和座椅部件，也用于修復(fù)渦輪機(jī)、清潔或去除部件上的油漆，并準(zhǔn)備好用于進(jìn)一步加工的零部件表面。近年來(lái)，激光增材制造（AM）在航天飛行領(lǐng)域也越來(lái)越受歡迎。另外，市場(chǎng)希望提高航空航天部件的可追溯性，隨之對(duì)激光打標(biāo)的要求也越來(lái)越高。

激光切割和焊接

激光切割是一種快速、經(jīng)濟(jì)高效、精確的過(guò)程，可用于滿足航空航天領(lǐng)域嚴(yán)苛的制造要求。

與傳統(tǒng)加工相比，激光切割精度高，材料浪費(fèi)少，加工速度快，成本低，設(shè)備維修少。此外，由于它可以快速方便地對(duì)加工進(jìn)行任何必要的更改，因此可以最大限度地提高生產(chǎn)率。

激光可用于生產(chǎn)機(jī)翼緊固件零件、夾具零件、末端執(zhí)行器零件、工裝零件等。它同樣適用于小型部件，如嫁接油墊圈和鈦引氣管道歧管，以及較大的部件，如排氣錐。它可以加工各種航空航天材料，包括鋁、哈氏合金（已與鉬和鉻等元素合金化的鎳）、鉻鎳鐵合金、鎳鈦合金、鎳鈦諾、不銹鋼、鉭和鈦。

激光焊接也用于航空航天領(lǐng)域，作為傳統(tǒng)連接方法（如粘合劑粘合和機(jī)械緊固）的替代方法。例如，在飛機(jī)制造中使用激光焊接輕質(zhì)鋁合金和碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）這些材料越來(lái)越受重視，并且在任何可能的地方都被用來(lái)取代鉚接。激光擺動(dòng)焊接等技術(shù)在油箱連接方面也取得了成功，提高了連接效率和強(qiáng)度，減少了返工，節(jié)省了大量成本。航空航天領(lǐng)域的其他焊接成功案例包括：將渦輪葉片的鑄芯連接到蓋板上；以及創(chuàng)造新型的輕型機(jī)翼襟翼，從而增加層流控制，最大限度地減少阻力并優(yōu)化燃油效率。

與傳統(tǒng)方法相比，激光焊接具有節(jié)省成本、減輕部件重量和提高焊接質(zhì)量的潛力，目前市場(chǎng)上有幾家制造商甚至開始考慮采用激光焊接來(lái)生產(chǎn)機(jī)身零件。

激光清洗

航空航天領(lǐng)域的制造商使用激光清洗來(lái)去除金屬和復(fù)合材料表面的層，以便為加工做準(zhǔn)備，去除涂層或腐蝕，并在重新粉刷之前去除大型部件或整個(gè)飛機(jī)的油漆。

在清洗過(guò)程中，激光被金屬表層吸收和蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)了表面材料的燒蝕，同時(shí)對(duì)里層的材料幾乎沒(méi)有影響，并且不會(huì)對(duì)組件產(chǎn)生附帶的熱損傷。千瓦級(jí)的脈沖光纖激光器特別適用于快速激光清洗——它們可以對(duì)包括陶瓷、復(fù)合材料、金屬和塑料在內(nèi)的各種材料進(jìn)行高效率、高精度的清洗。

近年來(lái)，復(fù)合材料在飛機(jī)上的使用量增加了，因此將金屬連接到復(fù)合材料上的需求也增加了。在航空航天制造中，粘合劑可以用來(lái)連接這兩種不同的材料，為了建立牢固的結(jié)合，在使用粘合劑之前，必須仔細(xì)準(zhǔn)備兩個(gè)表面的加工。

激光清洗是理想的選擇方案，因?yàn)樗梢孕纬煞浅?yán)格控制、可復(fù)制的表面效果，能夠?qū)崿F(xiàn)一致、可預(yù)測(cè)的粘合。傳統(tǒng)上，這將通過(guò)破壞性的爆破技術(shù)或幾種化學(xué)品的應(yīng)用來(lái)完成。然而，激光清洗現(xiàn)在提供了一種一步的方法，不僅更具成本效益和生產(chǎn)力，而且對(duì)環(huán)境的影響也更小，因?yàn)椴恍枰卸净瘜W(xué)品或爆破材料。激光清洗對(duì)部件的影響，也比傳統(tǒng)方法溫和得多。

當(dāng)涉及到油漆剝離時(shí)，激光清洗金屬和復(fù)合飛機(jī)部件也比化學(xué)剝離或爆破技術(shù)更有利。在其使用壽命期間，一架飛機(jī)可能會(huì)重新粉刷4－5遍，使用傳統(tǒng)技術(shù)可能需要一周或更長(zhǎng)時(shí)間才能從整架飛機(jī)上清除油漆。相比之下，根據(jù)飛機(jī)的大小，激光清洗可以將這個(gè)時(shí)間縮短到3－4天，它還使工人更容易接觸到零件。此外，當(dāng)用于除漆而不是化學(xué)剝離或爆破時(shí)，激光清洗可節(jié)省大量成本——每架飛機(jī)可節(jié)省數(shù)千英鎊，因?yàn)槲ｋU(xiǎn)廢物減少了約90％或更多，降低了材料處理要求。

激光噴丸／激光沖擊強(qiáng)化

金屬部件內(nèi)部的應(yīng)力可能導(dǎo)致飛機(jī)部件（如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片）的金屬疲勞失效，這有可能造成損壞或傷害。這可以通過(guò)一種被稱為激光強(qiáng)化（laser peening）的技術(shù)來(lái)緩解。

在這個(gè)過(guò)程中，激光脈沖被引導(dǎo)到一個(gè)高應(yīng)力集中的區(qū)域，每個(gè)脈沖會(huì)在組件表面和頂部噴灑的水層之間點(diǎn)燃一個(gè)微小的等離子體爆炸。水層限制了爆炸，這導(dǎo)致沖擊波穿透組件，并在其傳播區(qū)域擴(kuò)大時(shí)產(chǎn)生壓殘余應(yīng)力。這些應(yīng)力抵消了開裂和其他形式的金屬疲勞。與傳統(tǒng)工藝相比，激光強(qiáng)化可使金屬零件的使用壽命延長(zhǎng)10－15倍。

激光噴丸在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。例如，LSP Technologies和空客公司共同開發(fā)了一種便攜式激光強(qiáng)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)最近在空客公司位于法國(guó)圖盧茲（Toulouse）的維護(hù)和維修設(shè)施中進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)估。

Leopard激光噴丸系統(tǒng)將通過(guò)抑制由循環(huán)振動(dòng)應(yīng)力引起的裂紋出現(xiàn)、擴(kuò)展來(lái)延長(zhǎng)疲勞壽命。光纖光束傳輸?shù)撵`活性和定制工具使該系統(tǒng)能夠激光照射飛機(jī)難以到達(dá)的區(qū)域。根據(jù)合作伙伴的說(shuō)法，該系統(tǒng)是激光強(qiáng)化技術(shù)的一個(gè)突破，將推進(jìn)其使用，包括延長(zhǎng)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的壽命等等。

激光鉆孔

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)大約有50萬(wàn)個(gè)孔洞，數(shù)量大約是20世紀(jì)80年代制造的發(fā)動(dòng)機(jī)的100倍。與此同時(shí)，飛機(jī)制造商也在生產(chǎn)越來(lái)越多的其他部件，這些部件有大量的鉚接和螺釘連接的鉆孔。因此在航空領(lǐng)域，激光打孔具有巨大的市場(chǎng)潛力，因?yàn)樗峁┝司_、可重復(fù)、快速和經(jīng)濟(jì)高效的過(guò)程。

例如，新的高功率飛秒激光系統(tǒng)正在開發(fā)中，用于在大型鈦制HLFC（混合層流控制）面板上進(jìn)行高效而精確的微鉆孔，這些面板將安裝在機(jī)翼或尾翼穩(wěn)定器上。這些面板通過(guò)小孔吸入空氣，從而減少了摩擦阻力，并降低了燃料消耗。

由于激光鉆孔是無(wú)接觸的，被加工的材料不需要像用傳統(tǒng)工具加工一樣用同樣的方式進(jìn)行固定。無(wú)接觸的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生刀具磨損，這在鉆削CFRP組件的操作中代表了一個(gè)特別的優(yōu)勢(shì)。由于其硬度，CFRP組件會(huì)對(duì)傳統(tǒng)工具產(chǎn)生非常大的磨損。激光鉆孔也可以在非常高的速度下進(jìn)行，因此熱量的過(guò)度損害不會(huì)對(duì)正在加工的材料造成傷害。 增材制造 激光增材制造（AM）在航空航天工業(yè)中也得到了迅速的發(fā)展。在這種技術(shù)中，激光熔化連續(xù)的粉末層來(lái)構(gòu)建形狀。一家位于加州的火箭公司最近甚至訂購(gòu)了兩臺(tái)12激光束的3D打印機(jī)，通過(guò)制造更輕、更快、更堅(jiān)固的空間組件，使其太空任務(wù)更經(jīng)濟(jì)、更高效。 雖然許多項(xiàng)目仍處于測(cè)試階段，但激光增材制造已經(jīng)在兩次火星任務(wù)中成功使用。美國(guó)宇航局的“好奇號(hào)”火星車于2012年8月著陸，是第一個(gè)攜帶3D打印部件前往火星的任務(wù)。這是火星樣品分析（SAM）儀器內(nèi)的陶瓷組件，是正在進(jìn)行的測(cè)試計(jì)劃的一部分，以調(diào)查增材制造技術(shù)的可靠性。 ? 與此同時(shí)，美國(guó)宇航局的“毅力號(hào)”探測(cè)器于2021年2月降落在火星上，它包含11個(gè)用激光增材制造的金屬部件。其中5個(gè)部件在“毅力”號(hào)的X射線巖石化學(xué)行星儀器（PIXL）中，該儀器正在尋找火星上微生物化石生命的跡象。這些部件需要達(dá)到非常輕的標(biāo)準(zhǔn)，以至于傳統(tǒng)的鍛造、模壓和切割等技術(shù)無(wú)法生產(chǎn)出來(lái)。 美國(guó)宇航局（NASA）也一直在試驗(yàn)使用激光增材制造火箭部件。在一項(xiàng)研究中，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室是用銅合金制造的。這種激光增材制造的持續(xù)發(fā)展導(dǎo)致該部件的制造成本大約是傳統(tǒng)加工、連接和組裝所需成本的一半，時(shí)間只有傳統(tǒng)加工、連接和組裝所需時(shí)間的六分之一。由于所使用的銅合金對(duì)紅外激光器具有很強(qiáng)的反射性，美國(guó)宇航局（NASA）現(xiàn)在正在研究綠色或藍(lán)色激光器如何提高效率和生產(chǎn)率。 雖然增材制造在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用目前還處于早期階段，但預(yù)計(jì)未來(lái)20年將會(huì)有所增長(zhǎng)。 激光毛化 激光毛化在航空航天工業(yè)中也是一種非常新的應(yīng)用。這種工藝中，超快激光被用來(lái)通過(guò)一種被稱為直接激光干涉圖樣（DLIP）的技術(shù)在飛機(jī)表面上產(chǎn)生微納米結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)被用來(lái)產(chǎn)生一種天然的“荷花效應(yīng)”，其打造出來(lái)的納米結(jié)構(gòu)有助于防止表面污染，以及防止飛機(jī)上的冰積聚。 創(chuàng)新的光學(xué)將一個(gè)強(qiáng)大的超快激光脈沖分成幾個(gè)部分光束，然后在被加工的表面上組合。當(dāng)在顯微鏡下觀察時(shí)，產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)類似于由“柱子”或波紋組成的微觀“大廳”?！爸印敝g的距離大約在150nm到30μm之間——這種結(jié)構(gòu)意味著水滴不再濕潤(rùn)表面并粘在表面上，因?yàn)樗鼈冊(cè)诒砻嫔蠜](méi)有足夠的抓地力。 這種材料對(duì)飛機(jī)的好處包括：增加了對(duì)水、冰和昆蟲的排斥。這些都可以粘在飛機(jī)表面，并增加了飛機(jī)的抗風(fēng)能力，從而增加了燃料消耗。應(yīng)用這種激光紋理，將減少目前應(yīng)用于飛機(jī)表面的有毒化學(xué)處理的需要，以避免結(jié)冰。眾所周知，隨著時(shí)間的推移，它會(huì)老化，容易損壞。此外，用DLIP方法生產(chǎn)的激光結(jié)構(gòu)可以持續(xù)數(shù)年，并且不會(huì)引起環(huán)境問(wèn)題。 注：本文編譯自Laser Systems Europe 編輯：黃飛

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