前言

激光加工技術(shù)作為一種先進的加工手段，在現(xiàn)代航空航天、國防領(lǐng)域以及國家建設(shè)中扮演著越來越重要的角色。特別是在鈦合金加工領(lǐng)域，2000年以后，隨著高功率激光器品質(zhì)的不斷提升，激光焊接與激光增材制造的應(yīng)用越發(fā)廣泛。本文在研究國內(nèi)外激光加工技術(shù)相關(guān)文獻報道的基礎(chǔ)上，對激光焊接和激光增材制造在鈦合金航空結(jié)構(gòu)件加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行總結(jié)分析。隨著航空結(jié)構(gòu)件向大型整體化、構(gòu)型拓撲化、結(jié)構(gòu)功能一體化的不斷發(fā)展，未來激光加工技術(shù)在鈦合金結(jié)構(gòu)件加工領(lǐng)域的應(yīng)用場景將更為廣泛，同時也對未來鈦合金激光加工成套設(shè)備也提出了更高要求，不受制于人的高端激光成套制造設(shè)備將是鈦合金航空結(jié)構(gòu)件加工核心競爭力。

1、軍機結(jié)構(gòu)件制造面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢

1.1各代軍機結(jié)構(gòu)需求及材料發(fā)展

一代軍機，一代材料［1］。第一代飛機主要滿足高亞音速飛行，強調(diào)結(jié)構(gòu)件的屈服強度、抗拉強度、塑性及沖擊韌性，主要使用鋼骨架和木質(zhì)材料；第二代飛機主要滿足高空高速、近距格斗需求，強調(diào)關(guān)鍵部位的疲勞性能，大量使用鋁合金和鋼；第三代飛機主要滿足高亞聲速機動性需求，關(guān)鍵部位的材料要求具有較高的損傷容限性能，要求材料具有 較低的裂紋擴展速率和斷裂韌度，需要應(yīng)用大量輕質(zhì)高性能材料，在鋁合金和鋼的基礎(chǔ)上，增加了鈦合金與復(fù)合材料的使用；第四代飛機主要強調(diào)隱身性能和長壽命周期，注重飛機的耐久性設(shè)計，主要材料與三代機相近，但鈦合金與復(fù)合材料占比更大；第五代飛機需要具備高智能、高協(xié)同、高速飛行的特性，對結(jié)構(gòu)強度要求更高，還需應(yīng)用大量熱防護材料和耐高溫合金。

1.2軍機結(jié)構(gòu)件制造面臨的挑戰(zhàn)

1.2.1減重增壽

機體結(jié)構(gòu)是決定軍機性能指標(biāo)關(guān)鍵要素之一，半個世紀(jì)以來，結(jié)構(gòu)技術(shù)一直在發(fā)展，結(jié)構(gòu)形式已趨于“經(jīng)典”［2］。如表 1 所示，國外各代戰(zhàn)機機體結(jié)構(gòu)重量占全機重量百分比不斷降低，機體疲勞壽命需求在不斷增長。但相較于理想結(jié)構(gòu)重量，F(xiàn)35A超重640 kg，F(xiàn)35B超重900 kg，近期美國投入3.5億美元對162架四代飛機進行抗疲勞結(jié)構(gòu)改進。減重增壽仍然是軍機結(jié)構(gòu)件制造面臨的主要挑戰(zhàn)。

1.2.2低成本、快速制造

快速制造和低成本制造是戰(zhàn)機工業(yè)化生產(chǎn)的核心。現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)件制造工藝，材料利用率極低，部分結(jié)構(gòu)零件材料去除率達90%以上；復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工工序多，生產(chǎn)周期長。簡化制造工藝，提升加工效率，提高原材料利用率，既滿足國家“雙碳”發(fā)展新形勢的需求，也符合航空制造業(yè)的根本利益。

1.3軍機結(jié)構(gòu)件制造發(fā)展趨勢

1.3.1結(jié)構(gòu)大型化、整體化

目前的機體結(jié)構(gòu)采用以小拼大的方式通過連接件完成連接［3］，該方式直接導(dǎo)致了機體結(jié)構(gòu)超重，疲勞薄弱環(huán)節(jié)多，開裂頻發(fā)。對于飛機結(jié)構(gòu)件，將傳統(tǒng)裝配結(jié)構(gòu)進行一體化設(shè)計并完成制造，既減少了結(jié)構(gòu)件和連接件的數(shù)量，又能有效消除分離面，減少冗余結(jié)構(gòu)，減緩應(yīng)力集中，減少疲勞薄弱環(huán)節(jié)。

結(jié)構(gòu)大型化、整體化設(shè)計，突破了原有機體設(shè)計極限，能夠?qū)崿F(xiàn)機體結(jié)構(gòu)減重 20% 以上，力學(xué)薄弱環(huán)節(jié)預(yù)計減少 30% 以上，有效提升機體壽命。同時，整體化結(jié)構(gòu)簡化了機體裝配工裝與工藝，機體制造周期預(yù)計縮短30%以上。

1.3.2結(jié)構(gòu)構(gòu)型拓撲化

用仿生拓撲構(gòu)型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的縱橫加筋板構(gòu)型，材料根據(jù)傳力路徑和功能需求布局，能將材料布置到最優(yōu)傳力路徑，實現(xiàn)“無冗余”設(shè)計，進一步優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)減重。圖 1 為拓撲優(yōu)化前后的飛機結(jié)構(gòu)零件，零件質(zhì)量由 0.89 kg 減至 0.35 kg，減重60.6%。

1.3.3結(jié)構(gòu)功能一體化

目前，軍機的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與功能系統(tǒng)是獨立的，未來的軍機會將功能系統(tǒng)融入結(jié)構(gòu)中，取消功能系統(tǒng)的冗余，功能結(jié)構(gòu)一體化，諸如防熱材料、微結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)構(gòu)型融合，達到耐熱防熱的目的，可進一步實現(xiàn)減重。典型防熱承載一體化結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

2、激光加工技術(shù)在鈦合金航空結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1激光焊接技術(shù)

激光焊接在航空結(jié)構(gòu)件制造的優(yōu)勢主要有兩點［4-5］：首先，焊接代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚接，節(jié)省了大量鉚釘，能有效實現(xiàn)減重；其次，整體焊縫的強度優(yōu)于多個鉚釘連接的強度。如圖 3 所示，鈦合金焊縫及其熱影響區(qū)的強度均大于母材，整體焊縫的強度非常優(yōu)秀，能夠有效增長機體疲勞壽命。

目前應(yīng)用最為廣泛和成熟的是T型接頭雙光束激光焊技術(shù)，該技術(shù)最早由空客于 2000 年應(yīng)用于A318系列飛機的下機身蒙皮焊接（見圖4），被公認(rèn)為近十年大型客機制造領(lǐng)域的一次技術(shù)革命，改變了焊接技術(shù)不適用于飛機制造的傳統(tǒng)觀念。國內(nèi)針對TC4鈦合金和TA15鈦合金激光焊接已進行了系統(tǒng)的研究［6-10］，激光焊接已經(jīng)應(yīng)用于我國某些型號飛機的鈦合金腹鰭制造、鈦合金蒙皮拼焊、壁板與長桁T型接頭焊接等，配套制造設(shè)備也較為成熟。

圖 5 為中國商飛雙光束同步焊接設(shè)備，用于國產(chǎn)某客機制造。此外，北京航空制造工程研究所已將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機鈦合金承力構(gòu)件制造。

在鈦合金承力結(jié)構(gòu)件上，激光焊接技術(shù)即將開展深入應(yīng)用，特別是鈦合金原位激光焊接。原位焊接技術(shù)屬于近凈成形技術(shù)領(lǐng)域，是指零件成型后，僅需少量加工或不再加工，就可作為機械構(gòu)件的成型技術(shù)。原位焊接技術(shù)是美國首次在 F-22 戰(zhàn)機上提出并應(yīng)用的，利用高能束流對裝配體實施焊接，焊接后無需進行二次機械加工，實現(xiàn)了飛機骨架零件原位焊接工藝與裝配技術(shù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚接，大幅減重并縮短部件制造周期。F-22在研發(fā)階段，受制于當(dāng)時激光功率，鈦合金后機身大量采用電子束焊接。先由3~4個片段縱向焊接組成盒狀段，再由盒裝段焊接成框，最后焊接為整體艙段，如圖 6 所示，鈦合金焊縫總長度約 9 m，質(zhì)量相比于機械連接減少 182 kg［11］。目前，原位焊接技術(shù)在國內(nèi) 航空制造領(lǐng)域尚無工程應(yīng)用，鈦合金結(jié)構(gòu)件的原位激光焊接的應(yīng)用將是未來極具價值的研究方向。

未來，激光焊接在航空結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，是焊接更為復(fù)雜的機體結(jié)構(gòu)和新材料，進一步實現(xiàn)機體減重增壽。此外，航空結(jié)構(gòu)件自身價值較高，保證加工質(zhì)量至關(guān)重要，由此帶來的挑戰(zhàn)主要有以下幾個方面：

（1）激光焊接頭可達性拓展。

復(fù)雜鈦合金機體框架結(jié)構(gòu)的定位和夾持工裝相互交錯，對激光焊接頭的可達性造成極大干擾。

一方面，需要合理規(guī)劃焊接路徑，優(yōu)化工裝設(shè)計，保持操作空間的最大開敞性。另一方面，需要開展專用焊接頭的研發(fā)，具備小型化、遠距焊接、末端位姿可調(diào)等要素。

（2）變形控制。

變形控制包括焊接變形控制和熱處理變形控制。需進一步開展焊接對象焊接工藝試驗，完成最佳的焊接策略匹配，實現(xiàn)焊接變形控制最優(yōu)解的同時保證焊接可靠性。需要進一步開展熱處理變形機理研究，設(shè)計出合理的保形工裝和熱處理策略來實現(xiàn)復(fù)雜部件的熱處理變形控制。此外，還需要探索新型的熱處理方式，諸如超聲沖擊、激光沖擊等特種工藝來消除焊接應(yīng)力。

（3）新材料焊接。

針對未來超高速飛行器對耐溫材料的需求，需進一步開展高溫鈦合金和熱塑性復(fù)合材料的激光焊接工藝研究，并進行力學(xué)性能和疲勞性能考核，為后續(xù)新材料工程化應(yīng)用提供支撐。

2.2激光增材制造技術(shù)

激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）、激光直接沉積（Laser Melting Deposition，LMD）是目前主要的鈦合金激光增材制造工藝［12］。航空結(jié)構(gòu)件具有多品種、小批量的特點，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，增材制造的成本和效率優(yōu)勢相比傳統(tǒng)制造方法就越明顯。

SLM技術(shù)分層層厚較小（30~60 μm），可直接快速成型終端金屬產(chǎn)品，尺寸精度高，表面質(zhì)量好，可實現(xiàn)任意復(fù)雜零部件的高效致密成形，特別適合內(nèi)部有復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)且用傳統(tǒng)方法無法制造的復(fù)雜零部件。

通用電氣公司專注于增材制造以降低其發(fā)動機制造成本，采用SLM技術(shù)已完成大量零部件的批量制造。圖7為航空發(fā)動機燃油噴嘴，將20個零件集成為1個部件進行打印，減重25%，已實現(xiàn)數(shù)萬個部件的批量制造。此外，空客通過基于有限元分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用于現(xiàn)有零部件的再設(shè)計，采用SLM技術(shù)實現(xiàn)了大幅減重，如圖8所示。

未來軍機將具有超高速飛行的特征，熱防護技術(shù)是未來飛機結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵技術(shù)之一，防熱承載結(jié)構(gòu)具有多孔、點陣等特征，且內(nèi)部需要微流道完成主動散熱，此類結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)工藝無法完成加工。通用航空公司設(shè)計的內(nèi)置流道的航空發(fā)動機葉片如圖9所示，飛機用金屬多功能點陣結(jié)構(gòu)如圖 10 所示，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載、防熱、隱身等功能的融合。此類結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)工藝無法完成加工，SLM技術(shù)恰好能夠滿足相關(guān)制造需求。

鈦合金防熱承載一體化結(jié)構(gòu)的激光選區(qū)熔化成型應(yīng)用將是未來極具價值的研究方向。在 SLM 設(shè)備制造領(lǐng)域，以美國 Optomec、德國EOS、西安鉑力特、南京中科煜宸等為代表的多家單位均已研發(fā)出工業(yè)級 SLM 設(shè)備，國內(nèi)外典型 SLM設(shè)備主要特性如表2所示。

其中，西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司于2022 年 5 月推出了 12 激光 SLM 3D 打印機 BLT-S1000，目前處于國內(nèi)高可靠性，如圖11所示。其成型尺寸可達 1 200 mm×600 mm×1 500 mm，可實現(xiàn)大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一體成型，最大成型速率可達300 cm3/h。提升鋪粉設(shè)備的加工效率仍將是未來極具價值的研究方向。

激光直接沉積技術(shù)（LMD）具有材料利用率高、機加工量小、制造周期短的特點，同軸送粉的工藝特點決定其成形尺寸不受限制，可以實現(xiàn)同一構(gòu)件上多材料的復(fù)合和梯度制造，適用于大型結(jié)構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)不是特別復(fù)雜的功能性零件的加工制造。

LMD 技術(shù)在國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如波音公司、空客公司、洛克希德馬丁公司、GE航空等世界著名的航空公司都在大力發(fā)展各自的激光直接沉積技術(shù)［13］。北京航空航天大學(xué)研制的某大型激光直接沉積金屬增材制造設(shè)備如圖 12所示，可為中國商用飛機、軍機項目制造大型復(fù)雜部件，包括鈦機身骨架及高強度起落架。北航王華明教授團隊研制了主承力飛機鈦合金加強框等關(guān)鍵構(gòu)件，實現(xiàn)了在包括C919大型客機在內(nèi)的多種型號飛機上的裝機應(yīng)用。北航應(yīng)用LMD技術(shù)制造出了飛機大型鈦合金主承力構(gòu)件，如圖13所示。西北工業(yè)大學(xué)采用LMD技術(shù)成功試制了C919機翼肋構(gòu)件，如圖14所示。

在 LMD 設(shè)備制造領(lǐng)域，以美國 EFESTO、德國EOS、西安鉑力特、南京中科煜宸、鑫精合激光等為代表的多家企業(yè)均已研發(fā)出工業(yè)級 LMD 設(shè)備，國內(nèi)外典型LMD設(shè)備主要參數(shù)如表3所示。南京中科煜宸研發(fā)的大型智能化雙光束裝備性能指標(biāo)達到國際先進、國內(nèi)領(lǐng)先的水平，如圖 15所示，是國際上首次提出采用雙萬瓦級激光同步送粉打印技術(shù)，沉積速度可達 700 cm³/h，設(shè)備剛性成型尺寸可達4 m×3.5 m×3 m，柔性成型尺寸達13 m×3.5 m×3 m，加工能力覆蓋了目前航空鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件的所有門類，滿足未來型號及特殊構(gòu)件制造需求。此外，航空工業(yè)成飛集團也研制了大型LMD同軸送粉設(shè)備，并實現(xiàn)了飛機增材制造工程化應(yīng)用。降低設(shè)備加工使用成本將是LMD設(shè)備未來的研究方向。大型構(gòu)件的應(yīng)力控制和變形開裂是LMD技術(shù)面臨的關(guān)鍵難題。

激光增材制造在航空結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢，將是進一步拓寬應(yīng)用面，提高零部件力學(xué)性能，加工對象將由機體非承力件和次承力件向主承力件進一步拓展。同時，進一步提升加工工藝成熟度，降低加工成本，更有助于該技術(shù)的工程化應(yīng)用。由此帶來的挑戰(zhàn)主要有以下幾個方面：

（1）提升正向設(shè)計能力。

目前，增材制造技術(shù)主要還是對傳統(tǒng)鑄造、鍛造技術(shù)的替代，沒有完全發(fā)揮其高設(shè)計自由度的優(yōu)勢，需要進一步提升結(jié)構(gòu)件設(shè)計能力，在設(shè)計中融合增材的思想，通過正向設(shè)計的理念，從源頭上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計上的顛覆性創(chuàng)新。

（2）提高零件力學(xué)性能。

激光增材制造的關(guān)鍵要求之一是獲得所需的力學(xué)性能，需要進一步優(yōu)化打印工藝，減少變形，避免開裂，提高力學(xué)性能。一方面，需要開展大量的基礎(chǔ)性試驗，建立工藝數(shù)據(jù)庫；另一方面，需要開發(fā)可靠的預(yù)測性過程模型，諸如過程熱模型、微結(jié)構(gòu)預(yù)測模型和力學(xué)性能預(yù)測模型等，提升加工過程的可靠性。

（3）健全基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)體系。

作為一項正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，增材制造在原材料、工藝、后處理、組織性能數(shù)據(jù)庫等方面的數(shù)據(jù)儲備還不充足，需要業(yè)界共同努力，健全激光增材制造金屬材料的基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)體系，共同開發(fā)出增材制造粉末原材料、工藝過程等規(guī)范。

3、激光加工設(shè)備在鈦合金航空結(jié)構(gòu)件制造的應(yīng)用展望

伴隨著鈦合金激光加工技術(shù)在我國航空結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用越來越廣泛，鈦合金激光加工成套設(shè)備同樣面臨著壓力與挑戰(zhàn)，需要進一步完善和發(fā)展，提升激光加工設(shè)備競爭力。

3.1成套系統(tǒng)多功能化

高效低成本制造、近凈成形將是未來鈦合金航空結(jié)構(gòu)件制造發(fā)展方向。航空工業(yè)屬于典型的離散制造，現(xiàn)行的工藝以及加工設(shè)備大多僅具備單一的加工功能，零件在不同的工藝節(jié)點周轉(zhuǎn)，降低了加工效率。單個離散點多功能化，簡化工藝流程，需要未來的高端激光制造集成系統(tǒng)向多功能化發(fā)展，將激光制造精細、直接近凈成形的優(yōu)點與傳統(tǒng)制造技術(shù)結(jié)合起來，形成最佳的制造策略，諸如增材、焊接、減材、在線測量一體化的自動設(shè)備。同時，研發(fā)面向原位自適應(yīng)制造的專用新設(shè)備，諸如在線焊接變形測量和分析設(shè)備、在線焊接氣孔檢測設(shè)備、原位去應(yīng)力設(shè)備，可有效減少后續(xù)加工及檢測工序。

3.2加工過程智能化

智能化的激光加工系統(tǒng)將有效提高加工效率，保證加工質(zhì)量，降低對操作人員的要求。將智能傳感器、數(shù)字總線技術(shù)等智能部件融入激光加工設(shè)備，通過對生產(chǎn)全過程實時在線檢測、閉環(huán)過程控制來確保激光加工的加工質(zhì)量、一致性和再現(xiàn)性。

諸如基于視覺測量、激光測量的智能末端，完成部件裝配的間隙與階差的自動測量，確保裝配狀態(tài)，代替現(xiàn)有人工測量；高精度的遠距窄焊縫的焊縫跟蹤末端，滿足航空結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜、夾具復(fù)雜、焊接末端可達性較差的特殊焊接場景需求；具備高溫加工全過程監(jiān)測并結(jié)合 AI 深度學(xué)習(xí)功能的熔池監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)和在線實時監(jiān)測、反饋閉環(huán)控制；另外，構(gòu)建激光加工知識工程，形成激光加工設(shè)備技術(shù)管控平臺，也能有效提升激光加工的可靠性及智能化程度。

3.3配套系統(tǒng)高效化

鈦合金在高溫下非常活躍，在 300 ℃以上極易與氫反應(yīng)，600 ℃以上極易與氧反應(yīng)，700 ℃以上極易與氮反應(yīng)，須施加氬氣保護，高質(zhì)量的氣體保護措施能有效保障鈦合金加工質(zhì)量，提升零部件制造合格率并降低加工成本。對于傳統(tǒng)保護夾具吹氣的方式，需注重其保護的可靠性，同時需降低對光束可達性的影響；對于整體密封保護的方式，需進一步提高箱體密封性，優(yōu)化惰性氣體置換和凈化過程氣流組織，降低惰性氣氛建立時間，提高加工效率。

3.4核心部件自主化

經(jīng)過多年的不懈努力，我國激光制造設(shè)備已實現(xiàn)“從無到有”，目前正處于“從有到好”的階段。但部分高端核心部件目前仍然處于受制于人的局面，急需研發(fā)高功率、高可靠性的國產(chǎn)激光器，并針對性地改善功率衰減過快的缺點。研發(fā)高功率、高精度、高可靠性國產(chǎn)激光焊接頭/打印頭，在線熔池監(jiān)測裝置等核心部件，提升高端激光成套制造設(shè)備的自主化程度。

4、結(jié)論

以航空結(jié)構(gòu)件制造為背景，介紹了航空結(jié)構(gòu)件制造面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢，綜述了激光加工技術(shù)在鈦合金航空結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對鈦合金激光加工成套設(shè)備的未來發(fā)展方向提出了相關(guān)建議。

（1）分析了軍機結(jié)構(gòu)件制造面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。

（2）介紹了激光焊接技術(shù)、激光增材制造技術(shù)在飛機結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景，對激光技術(shù)在軍機結(jié)構(gòu)件制造的應(yīng)用具有指導(dǎo)價值。

（3）基于未來軍機快速、高效、低成本制造的考慮，對未來鈦合金激光加工成套設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，提供了方向和發(fā)展建議。

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