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

激光加工提高生產(chǎn)率和保持低成本的能力，或?qū)⒃趯崿F(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，激光用于制造飛機機翼的襟翼、機翼緊固件、噴氣發(fā)動機部件和座椅部件，也用于修復(fù)渦輪機、清潔或去除部件上的油漆，并準(zhǔn)備好用于進一步加工的零部件表面。近年來，激光增材制造(AM)在航天飛行領(lǐng)域也越來越受歡迎。另外，市場希望提高航空航天部件的可追溯性，隨之對激光打標(biāo)的要求也越來越高。

激光切割和焊接

激光切割是一種快速、經(jīng)濟高效、精確的過程，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加工進行任何必要的更改，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(如粘合劑粘合和機械緊固)的替代方法。例如，在飛機制造中使用激光焊接輕質(zhì)鋁合金和碳纖維增強聚合物(CFRP)這些材料越來越受重視，并且在任何可能的地方都被用來取代鉚接。激光擺動焊接等技術(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，目前市場上有幾家制造商甚至開始考慮采用激光焊接來生產(chǎn)機身零件。

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飛機的油漆。

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

近年來，復(fù)合材料在飛機上的使用量增加了，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)備兩個表面的加工。

激光清洗是理想的選擇方案，因為它可以形成非常嚴(yán)格控制、可復(fù)制的表面效果，能夠?qū)崿F(xiàn)一致、可預(yù)測的粘合。傳統(tǒng)上，這將通過破壞性的爆破技術(shù)或幾種化學(xué)品的應(yīng)用來完成。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，而且對環(huán)境的影響也更小，因為不需要有毒化學(xué)品或爆破材料。激光清洗對部件的影響，也比傳統(tǒng)方法溫和得多。

當(dāng)涉及到油漆剝離時，激光清洗金屬和復(fù)合飛機部件也比化學(xué)剝離或爆破技術(shù)更有利。在其使用壽命期間，一架飛機可能會重新粉刷4-5遍，使用傳統(tǒng)技術(shù)可能需要一周或更長時間才能從整架飛機上清除油漆。相比之下，根據(jù)飛機的大小，激光清洗可以將這個時間縮短到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，激光清洗可節(jié)省大量成本——每架飛機可節(jié)省數(shù)千英鎊，因為危險廢物減少了約90%或更多，降低了材料處理要求。

激光噴丸/激光沖擊強化

金屬部件內(nèi)部的應(yīng)力可能導(dǎo)致飛機部件(如噴氣發(fā)動機的風(fēng)扇葉片)的金屬疲勞失效，這有可能造成損壞或傷害。這可以通過一種被稱為激光強化(laser peening)的技術(shù)來緩解。

在這個過程中，激光脈沖被引導(dǎo)到一個高應(yīng)力集中的區(qū)域，每個脈沖會在組件表面和頂部噴灑的水層之間點燃一個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)域擴大時產(chǎn)生壓殘余應(yīng)力。這些應(yīng)力改善了開裂可能性和其他形式的金屬抗疲勞性能。與傳統(tǒng)工藝相比，激光強化可使金屬零件的使用壽命延長10-15倍。

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

Leopard激光噴丸系統(tǒng)將通過抑制由循環(huán)振動應(yīng)力引起的裂紋出現(xiàn)、擴展來延長疲勞壽命。光纖光束傳輸?shù)撵`活性和定制工具使該系統(tǒng)能夠激光照射飛機難以到達的區(qū)域。根據(jù)合作伙伴的說法，該系統(tǒng)是激光強化技術(shù)的一個突破，將推進其使用，包括延長噴氣發(fā)動機葉片的壽命等等。

激光鉆孔

現(xiàn)代航空發(fā)動機大約有50萬個孔洞，數(shù)量大約是20世紀(jì)80年代制造的發(fā)動機的100倍。與此同時，飛機制造商也在生產(chǎn)越來越多的其他部件，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潛力，因為它提供了精確、可重復(fù)、快速和經(jīng)濟高效的過程。

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)面板上進行高效而精確的微鉆孔，這些面板將安裝在機翼或尾翼穩(wěn)定器上。這些面板通過小孔吸入空氣，從而減少了摩擦阻力，并降低了燃料消耗。

激光越來越多地用于CFRP飛機部件的鉆孔(圖片來源：漢諾威激光中心)

由于激光鉆孔是無接觸的，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行固定。無接觸的另一個優(yōu)點是不會產(chǎn)生刀具磨損，這在鉆削CFRP組件的操作中代表了一個特別的優(yōu)勢。由于其硬度，CFRP組件會對傳統(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行，因此熱量的過度損害不會對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)的粉末層來構(gòu)建形狀。一家位于加州的火箭公司最近甚至訂購了兩臺12激光束的3D打印機，通過制造更輕、更快、更堅固的空間組件，使其太空任務(wù)更經(jīng)濟、更高效。

雖然許多項目仍處于測試階段，但激光增材制造已經(jīng)在兩次火星任務(wù)中成功使用。美國宇航局的“好奇號”火星車于2012年8月著陸，是第一個攜帶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，是正在進行的測試計劃的一部分，以調(diào)查增材制造技術(shù)的可靠性。

NASA制造的雙金屬燃燒室，配有GRCop-42 L-PBF襯墊和Nasa HR-1 LP-DED護套(圖片來源：NASA)

與此同時，美國宇航局的“毅力號”探測器于2021年2月降落在火星上，它包含11個用激光增材制造的金屬部件。其中5個部件在“毅力”號的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)無法生產(chǎn)出來。

美國宇航局(NASA)也一直在試驗使用激光增材制造火箭部件。在一項研究中，火箭發(fā)動機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，時間只有傳統(tǒng)加工、連接和組裝所需時間的六分之一。由于所使用的銅合金對紅外激光器具有很強的反射性，美國宇航局(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)計未來20年將會有所增長。

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，超快激光被用來通過一種被稱為直接激光干涉圖樣(DLIP)的技術(shù)在飛機表面上產(chǎn)生微納米結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)被用來產(chǎn)生一種天然的“荷花效應(yīng)”，其打造出來的納米結(jié)構(gòu)有助于防止表面污染，以及防止飛機上的冰積聚。

創(chuàng)新的光學(xué)將一個強大的超快激光脈沖分成幾個部分光束，然后在被加工的表面上組合。當(dāng)在顯微鏡下觀察時，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”。“柱子”之間的距離大約在150nm到30μm之間——這種結(jié)構(gòu)意味著水滴不再濕潤表面并粘在表面上，因為它們在表面上沒有足夠的抓地力。

這種材料對飛機的好處包括：增加了對水、冰和昆蟲的排斥。這些都可以粘在飛機表面，并增加了飛機的抗風(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，隨著時間的推移，它會老化，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，并且不會引起環(huán)境問題。

激光檢測及應(yīng)力調(diào)控

除了上述功能，激光與超聲的結(jié)合，可用于復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件的檢測及應(yīng)力調(diào)控。利用高能量的脈沖激光作用于被測對象表面，表面局部溫度發(fā)生變化，從而引起被測對象表層發(fā)生熱膨脹，激發(fā)出超聲波，超聲波將攜帶材料表面和內(nèi)部的有用信息，用探測器接收超聲信號，對其進行數(shù)據(jù)處理分析從而來判斷被檢對象有無缺陷。

此外，由于激光超聲具有較高的時間分辨率和空間分辨率、可產(chǎn)生的波形豐富、頻帶寬的超聲波等特點，經(jīng)過切換和激光激發(fā)參數(shù)的調(diào)整，激光超聲可以在零件任何指定的部位去除所有拉應(yīng)力，在不破壞表面完整性，不升溫的情況下，形成一定厚度的壓應(yīng)力強化層。同時也可以調(diào)控應(yīng)力值到設(shè)計要求范圍，可顯著優(yōu)化局部位置抗疲勞和抗開裂性能。

轉(zhuǎn)自：翔博科技

來源：本文編譯自Laser Systems Europe發(fā)布的文章《激光在航空航天制造中的應(yīng)用》，原文標(biāo)題：Laser applications in aerospace manufacturing

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