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鈦合金雙向加筋壁板結(jié)構(gòu)雙光束激光焊接

輕量化、超聲速巡航、優(yōu)良的隱身性能、長使用壽命、高可靠及低成本已經(jīng)成為當(dāng)前世界航空航天飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造的重要發(fā)展趨勢(shì)。整體化設(shè)計(jì)與制造的蒙皮類、型腔類及壁板類結(jié)構(gòu)是航空航天飛行器“金屬外衣”的主要結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)飛行器的機(jī)動(dòng)性能、氣動(dòng)性能、隱身性能及使用壽命等產(chǎn)生重要的影響。先進(jìn)的特種焊接技術(shù)是航空航天飛行器結(jié)構(gòu)的主要制造技術(shù)之一，包括電弧焊接技術(shù)、電子束焊接技術(shù)、激光焊接技術(shù)、摩擦焊接技術(shù)等。其中，激光焊接技術(shù)在以“大尺寸、薄壁結(jié)構(gòu)、復(fù)雜型面”為特征的蒙皮類、型腔類及壁板類結(jié)構(gòu)的整體化焊接制造方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)代航空航天飛行器“金屬外衣”整體化制造的關(guān)鍵技術(shù)。

激光焊接技術(shù)，在突破了以“匙孔”吸收為特征的激光深熔焊接技術(shù)后，激光光束能量密度高達(dá)10^6W/cm^2以上，其焊接熱輸入低、焊接速度快、焊縫和熱影響區(qū)窄、焊接變形小、對(duì)母材熱損傷小、可以在惰性氣體保護(hù)氣氛環(huán)境中進(jìn)行焊接；并且波長為1.06μm的Nd:YAG激光還可以采用柔性光纖傳輸，配以可靈活操作的機(jī)械手，為實(shí)現(xiàn)空間曲線焊縫的自動(dòng)焊接提供了可能。

歐美等國在上世紀(jì)80年代末至90年代初，就開始將激光焊接技術(shù)大量應(yīng)用于航空航天飛行器制造。其應(yīng)用主要集中在零件級(jí)別的以焊代鉚和零件之間的以小拼大兩個(gè)方面，即蒙皮類、型腔類及壁板類結(jié)構(gòu)的對(duì)接拼焊，涉及的金屬材料主要包括鈦合金、鎳基和鐵基高溫合金等。

然而，由于國內(nèi)缺少大功率與高光束品質(zhì)激光器件等因素，我國在激光焊接技術(shù)研究和應(yīng)用方面起步較晚。1995年，在中航工業(yè)制造所關(guān)橋院士的積極呼吁下，我國依托中航工業(yè)制造所，建立了高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，專門從事高能束流加工技術(shù)研發(fā)及裝備研制工作，其中激光焊接技術(shù)是實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)研究和應(yīng)用方向之一。通過從國內(nèi)相關(guān)單位引進(jìn)激光器件，自主設(shè)計(jì)與配套相關(guān)裝備，實(shí)驗(yàn)室迅速開展了激光焊接工藝可行性研究，以及航空航天飛行器常用金屬材料激光焊接特性基礎(chǔ)研究等工作。為克服單一激光焊接對(duì)零件裝配精度要求過高，在高功率、高速度焊接條件下易于產(chǎn)生氣孔、咬邊等各種焊接缺陷，以及某些高反射率金屬材料焊接時(shí)存在困難等問題，在激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)方面，實(shí)驗(yàn)室也開展了系統(tǒng)的研究工作。如采用激光與激光復(fù)合方式的多光點(diǎn)激光焊接技術(shù)、連續(xù)激光/脈沖激光焊接技術(shù)，采用激光與外部熱源復(fù)合方式的激光/TIG焊接技術(shù)、激光/MIG焊接技術(shù)、激光/PLASMA焊接技術(shù)、激光/電磁感應(yīng)加熱焊接技術(shù)，采用激光與填加材料復(fù)合方式的激光填絲焊接技術(shù)、激光填粉焊接技術(shù)、活性劑激光焊接技術(shù)，以及上述各種焊接技術(shù)的復(fù)合等。通過適當(dāng)擴(kuò)大激光熱源的作用范圍、引入外部熱源，以及在焊接過程中填加合適的材料等方式，激光復(fù)合焊接技術(shù)利用熱源之間、熱源與材料之間的“增強(qiáng)互動(dòng)”效應(yīng)，克服了單一激光焊接存在的固有缺陷，進(jìn)一步優(yōu)化和完善了激光焊接技術(shù)工藝體系，為激光焊縫的控形與控性提供了更靈活多樣的技術(shù)手段。

     進(jìn)入21世紀(jì)，雙光束激光焊接技術(shù)的應(yīng)用為世界航空制造業(yè)帶來了一次偉大的技術(shù)變革。為解決壁板結(jié)構(gòu)蒙皮與加強(qiáng)筋之間T型接頭的焊接問題，該技術(shù)采用兩束激光對(duì)壁板結(jié)構(gòu)T型接頭兩側(cè)同步施焊，完成蒙皮與加強(qiáng)筋之間的連接。雙光束激光焊接技術(shù)由于采用了對(duì)稱的焊接熱源，從T型接頭兩側(cè)同步施焊，最大程度地減小焊接產(chǎn)生的變形，保證蒙皮外型面的形狀精度。因此，雙光束激光焊接技術(shù)在國外航空制造領(lǐng)域迅速得到了應(yīng)用。空客公司在以A380為代表的系列機(jī)型上均大量采用了雙光束激光焊接的鋁合金整體壁板，即采用雙光束激光焊接技術(shù)將6013 T6鋁合金機(jī)身蒙皮與6013 T6511鋁合金加強(qiáng)筋焊接成為整體機(jī)身壁板，取代原有的鉚接密封壁板，強(qiáng)度提高近20%，結(jié)構(gòu)重量減輕近20%，成本降低25%。雙光束激光焊接技術(shù)的這些應(yīng)用使焊接技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了從零件級(jí)到部件級(jí)，甚至部件間連接的質(zhì)的跨越，這被認(rèn)為是航空制造業(yè)的一次偉大的技術(shù)變革。

      緊跟國外激光焊接技術(shù)研究和應(yīng)用的發(fā)展，中航工業(yè)制造所高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組建了一支團(tuán)結(jié)協(xié)作、激情進(jìn)取、求實(shí)創(chuàng)新的精英團(tuán)隊(duì)，先后建立了10kW光纖激光和3kW YAG激光以及4kW CO2激光焊接系統(tǒng)，以整體化焊接的鈦合金、鋁合金蒙皮類、型腔類及壁板類結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，先后開展了激光深熔焊接技術(shù)、各種激光復(fù)合焊接技術(shù)，以及雙光束激光焊接技術(shù)等的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，并成功地將活性劑激光焊接技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)鈦合金蒙皮類和型腔類結(jié)構(gòu)的對(duì)接拼焊。雙光束激光焊接技術(shù)研究也獲得重大突破，并應(yīng)用于飛機(jī)鈦合金壁板類結(jié)構(gòu)蒙皮與加強(qiáng)筋之間的整體化焊接（如圖所示）。今天的高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光焊接技術(shù)無論在研發(fā)平臺(tái)還是在技術(shù)水平方面都站在了國際最前沿。

     隨著技術(shù)的更新與發(fā)展，激光焊接已不再是一種單純意義上的加工制造技術(shù)，已發(fā)展成為激光能量場與品質(zhì)、材料冶金、結(jié)構(gòu)力學(xué)、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科集成的工程制造技術(shù)，顯現(xiàn)出極高的技術(shù)附加值。激光焊接技術(shù)的發(fā)展方向更趨于加工過程的自動(dòng)化和智能化、復(fù)合束源和集成化，并向著高品質(zhì)、高功率、高效率、多功能和結(jié)構(gòu)功能一體化方向發(fā)展，同時(shí)隨著其在航空領(lǐng)域及其他領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛和成熟，激光焊接技術(shù)必將成為我國航空事業(yè)和其它軍工領(lǐng)域傳統(tǒng)制造業(yè)改造升級(jí)不可或缺的重要技術(shù)。