能源危機的持續(xù)發(fā)酵、歐盟“碳稅”的征收都必將促使航空公司對民用客機提出更加明確的減重要求。20世紀90年代起，經過近10年的研究，空客公司成功地將雙光束激光焊接技術應用于鋁合金機身壁板結構，替代了傳統(tǒng)的鉚接結構（圖1），使飛機機身的結構概念從組裝結構過渡到整體結構。該技術針對機身壁板的蒙皮- 長桁結構，利用兩臺完全相同的CO2 激光器在長桁兩側進行雙側同步焊接，該技術避免了傳統(tǒng)的單面焊雙面成形工藝對蒙皮完整性的破壞，具有極大的優(yōu)越性。有資料表明：采用該技術在不降低結構強度及疲勞壽命的前提下，能減少5%~10% 的結構重量，并降低成本15%，提高了生產效率[1-3]。
雙光束激光焊接技術簡述
雙光束激光焊接技術最早是由德國的Bias（不萊梅射線研究所）、Gkss（亥姆霍茲聯(lián)合會）、Fraunhofer（弗勞恩霍夫材料與射線研究所）、LZH（漢諾威激光研究所）、亞琛工大等眾多科研院所一起參與完成的。同時，相關焊接設備由Schuler-held、M.torres、Rofin 等公司提供。激光焊接技術也成為了德國航空業(yè)的重點發(fā)展技術之一。除了已經研制成功的激光焊接蒙皮- 長桁結構以外，其他的激光焊接應用也正處于研發(fā)階段。這些應用包括利用機器人焊接角片、焊接Al-Mg-Sc 材料的著陸襟翼結構以及激光焊接鋁- 鈦異種材料航空座椅滑軌[3-4]。
雙光束激光焊接技術最早用于空客A318的前機身以及中后機身兩塊壁板的生產制造，并在裝機之前通過了FAA（美國聯(lián)邦航空管理局）的適航認證。圖2 為德國空客車間的雙光束激光焊接生產線，隨著3條焊接生產線的購置安裝，焊接機身壁板于2001年在德國諾登哈姆的空客車間內實現(xiàn)了批量生產。另外，隨著此項技術的不斷成熟，包括A340、A380 在內的機型也都采用了激光焊接壁板，且壁板的數(shù)量也從開始的2塊（總計110m 焊縫），到最多使用14塊激光焊接壁板（總計約798m焊縫）?？湛偷淖钚滦吞朅350在設計初期也準備采用激光焊接鋁鋰合金壁板，并且使用壁板數(shù)量進一步增加；然而，波音公司的787夢幻客機取得了商業(yè)成功，迫使A350改變原有計劃，將復合材料大量應用于機身機構[5]。因此，A350暫不采用該技術，但是可以預見在未來很長一段時間，金屬材料仍會在飛機的主要型號中大量使用，同時空客還在研究將此技術推廣應用于飛機機身上壁板[6]，因此該技術的應用仍然值得期待。
這套工藝的焊接對象主要包括單曲壁板和雙曲壁板，其中雙曲壁板中的焊縫是較為復雜的空間曲線，對整個焊接設備和工藝提出了較高的要求。圖3為雙曲壁板雙光束激光焊接的整個工藝流程，包括蒙皮拉伸成形→蒙皮三維表面加工→蒙皮三維輪廓加工→裝夾→激光焊接→噴丸處理→熱處理→表面防腐處理8個步驟[4]。
根據(jù)美國鋁業(yè)公司（Alcoa）的介紹，長桁焊接前的蒙皮曲線形狀是用時效蠕變方法成形出來的。這樣的機身蒙皮重量輕、強度高、耐蝕，而且材料的損傷容限較高。在進行激光焊接的過程中，由于鋁合金的熱膨脹系數(shù)較大、彈性模量較小，而且，雙激光束雙側同步焊接的熱源具有特殊性加之金屬板材的尺寸較大并且厚度較薄，再者，蒙皮上多道焊縫會導致焊接應力分布比較復雜，上述因素將導致在焊接過程中產生失穩(wěn)變形。因此噴丸處理在提高材料疲勞性能的同時，還具備矯形的作用。#p#分頁標題#e#
圖4為世界最大飛機A380 客機使用雙光束激光焊接的機頭下壁板，焊接選用的材料為AA6013( 蒙皮材料)/AA6056( 長桁材料)，與傳統(tǒng)的6061 鋁合金相比，這兩種材料具有良好的焊接性能，材料本身具備中等強度，同時還具備優(yōu)異的損傷容限性能。填充材料選用流動性較好的4047 鋁合金焊絲。
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