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激光焊接技术在航空制造中的应用2020-08-20

随着长寿命、高可靠性、低成本、高性能的设计及制造要求,越来越多的新型高性能材料、复杂结构在飞机及航空发动机设计中被广泛应用,如整体壁板、整体叶盘/叶环、空心叶片、单晶/定向凝固叶片、粉末合金及复合材料构件等。新型高性能材料、复杂结构的扩大使用,在提高装备性能的同时,也对包括焊接技术在内的航空制造及修理技术提出了更高的要求。
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激光焊接具有能量密度高、热输入量低、结构变形小、无需真空环境、高质量、高精度、高效率等技术优势,在各类金属材料熔化焊接方法中独占鳌头;结合工业机器人、视觉传感跟踪系统、自动送丝(送粉)系统,易于实现集成化、自动化、柔性化、批量化制造,在全球制造产业中占据越来越高的地位。近年来,随着高功率激光器的不断发展,激光束流品质的不断提高,激光焊接技术实现了由传导焊向深熔焊的根本性转变,应用范围进一步扩大,在航空制造及修理中重要性也不断提高。
几种激光焊接方法及其应用
针对航空制造业的激光焊接技术,目前的研究主要集中于建立CO2激光和YAG激光焊接各种航空金属材料的理论及应用,通过基础理论的建立,辅以大量的试验验证,激光焊接技术已经成熟地应用于航空及武器装备制造的诸多领域。下面简单先容几种激光焊接方法及其应用:
1. 单激光焊接
按焊接熔池形成的机理区分,激光焊接可分为两种:热传导焊接和激光深熔焊。这两种方式最基本的区别在于:前者熔池表面保持封闭,而后者熔池则被激光束穿透成小孔。
(1)热传导焊接
当功率密度约为105~ 106W/cm2的激光照射在材料表面时,一部分激光被反射,另一部分光能被材料吸取转化为热能使焊件表面熔化,材料表面层的热以热传导的方式继续向材料 深处传递,形成熔池,将两焊件熔接在一起。这种焊接模式熔深浅,深宽比较小。为利用激光热导焊为飞机某零件进行密封。
(2)激光深熔焊
当功率密度比较大(约为106~107W/cm2)的激光束照射到材料表面时,材料吸取光能转化为热能,工件吸取激光后迅速熔化乃至气化,熔化的金 属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底,使小孔不断延伸,直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动 时,小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方,凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大,深宽比也大。在航空制造领域,除了微薄零件或特殊要求之外,一般均使用深熔焊。
2. 激光-电弧混合/复合焊
随着激光焊接技术在工业中的成熟应用,激光焊接技术的不足之处也日渐显露:设备投资、使用成本大,能量利用率低;对工件的焊接装配精度要求高;对于 高反射率金属难以实现激光焊接且容易对激光设备造成损坏;高焊接速度导致焊缝快速凝固,接头中容易产生气孔、咬边缺陷,焊缝组织脆性,甚至焊接裂纹。

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