激光加工在航空航天中的应用

发布时间:2010-11-24
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激光技术的两个重要应用——激光焊接技术和激光热处理技术,已成为现代加工制造中无可替代的特种加工技术,它们的应用这里不再赘述,重点介绍一下激光技术在金属零件加工中的应用。激光加工技术是我国的先进制造技术,已在航空航天领域的零部件加工中得到了广泛地应用,主要有激光切割、激光钻孔、激光打标、激光熔覆与快速成形技术等加工技术应用。如飞机3D蒙皮、蜂窝结构、框架、翼形、尾翼壁板、直升机主旋翼、发动机燃烧室、机匣和火焰筒等飞机的大部分零件,都采用了激光切割加工技术。

高温涡轮发动机涡轮叶片、喷管叶片、燃烧室冷却孔和航天飞船包覆层上面均匀分布很多微细的小孔的加工,是应用了我国自行开发的薄型材料激光切孔专利技术,实现了自动激光切孔的高难度加工,解决了飞船在大气层中飞行隔热的关键技术。增加零件的使用寿命,提高了引擎的工作性能。

激光打标被广泛应用于军工产品的过程标识过程和质量追踪。

直接由金属粉末熔融制造出来的零件模型或金属模具,是激光快速成形技术在产品开发和生产中的典型应用。飞机大型钛合金整体主承力构件的激光快速成形技术,更是我国目前世界上唯一掌握该项技术并实现装机应用的激光加工技术,提高了钛合金高温持久寿命10倍以上。仪表宝石轴承、喷嘴和燃烧室,耐高温耐热合金叶轮、齿轮采用了环氧聚脂和树脂砂烧结粉末材料,并利用了激光烧结快速成形原理。

飞机螺旋桨叶片表面损伤、航空发动机涡轮叶片、导向器等热端部件是利用激光熔覆技术修复航空发动机的重要应用。解决了航空发动机备件价格高、维修成本不合算的问题,是一条旧设备再制造重要途径和再利用工程。

不难看出激光加工技术具备显著的特点,可以充分发挥其先进性、快速性、灵活性等优越性能。

一种先进的加工方法。钛合金构件激光快速成形技术,是一种变革性的短周期、低成本、无模、数字化、先进的制造技术。它从根本上改变了传统的生产方法。实现了无需锻造加工及锻造模具加工,仅需两三个人、几天时间即可完成,而以前两三年才能做好的复杂的大件的工作。而钛合金构件组织、综合力学性能明显优异,材料利用率高、机械加工余量小、数控加工时间短、柔性高效等突出优点。

加工工件材料几乎不受限制。从铝合金到耐高温耐热合金、钛合金再到复合材料、布匹和纸张等各种材料。对付高强度、高脆性、高熔点等难加工材料也被成为“永不磨损的万能刀具”。

自动化程度高。与计算机数控技术及柔性制造技术相结合,能加工任意复杂2D 和3D 形状。加工方式灵活,可用于各种成形机械不用拆卸的加工。

加工精度高。非接触的光学热加工,加工后工件几乎没有形变,加工精度明显高于传统加工。激光打孔的中心定位准确、精度高、深度可控,最小孔径已达0.002mm。

加工质量好。激光切割比氧炔、等离子热影响区小、切口光洁无毛刺。激光打标标记的内容不可擦除,耐酸碱腐蚀,不会被有机溶剂溶解。激光制孔工艺达到了无再铸层、无微裂纹的效果。

加工速度快,加工效率高、加工周期短、加工成本低。无需刀具和模具的准备,生产周期大幅缩短。特别适宜新产品研制开发阶段的多品种、小批量生产。以激光切割1mm铝合金为例,速度可达40m/min,单件加工成本几何级降低。如高温涡轮发动机涡轮叶片冷却孔的EDM加工效率明显低于激光加工。

激光器开发应用。开展激光快速成形技术和切割技术的再开发,拓宽激光应用领域。不断出现各种新型激光器带来了更多新的应用。

●多功能化替代单一功能。激光内雕机包括了内雕、裁剪、镂空、绣花和切割等多种加工功能,是未来发展的需求;

●加工系统智能化发展。如配上光导纤维的Nd:YAG固体激光器,实现了多工位、远距离工作。正在进行的建立激光加工设备参数的检测手段,将实现激光加工的质量智能化监控;

●复合化技术。喷射液束电解-激光复合加工以激光加工为主,电解加工辅助去除再铸层的加工原理,证实了该复合加工工艺的可行性,可望在航空航天领域得到广泛工程应用;

●3D弯曲成形技术的研究,是一种无模具激光加热成形技术,特别适合于小批量及用常规方法难以成形的硬脆材料的成形;

●水导引激光加工技术,这种激光加热辅助切削技术,也是替代传统切削加工陶瓷、高温合金、冷硬铸铁和复合材料等难加工材料的有效方法。

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