激光是原子在受激幅射放大過程中發(fā)出的光。激光加工則是利用高能量密度激光束照射工件，將材料加熱、熔化、氣化的一種無機械接觸的加工方法。

由于它具有無接觸、不需要工模具、清潔、效率較高、方便實行數(shù)控和可以用來進行特殊加工，目前已經(jīng)廣泛應用于汽車、冶金、航空航天、機械等眾多領域?？捎脕磉M行打孔、切割、銑削、焊接、刻蝕、大型零件的強化和修復、材料表面改性和材料合成、模具、模型和零件的快速制造等。

激光加工技術

在航空制造業(yè)中，激光技術扮演著越來越重要的角色?？梢哉f是一言不合就用激光，到底激光技術強大在哪里，今天就給大家來聊聊激光技術的那些應用。

激光加工技術廣泛用于航空制造中

激光打孔

激光打孔是一種最早達到實用化激光加工技術，同樣也是激光加工的主要領域之一。這種技術的特點是能加工到1μm的微孔，尤其適合加工與表面成各種角度的小孔，薄壁零件的小孔、復合零件的深小孔以及硬、脆、軟和高強度等難加工材料上的微小孔。激光打孔與工件材料的剛性、強度、脆性等機械性能無關，能在鈹、銅、鋁、鋅、鐵、不銹鋼、耐熱合金、硬質合金等材料上打孔，并且容易實現(xiàn)自動化。

激光打孔

固體激光器在金屬打孔加工中占用主導地位。目前國外的發(fā)動機公司廣泛采用固體激光器加工發(fā)動機零部件的小孔。為提高小孔加工加工水平，國外采用高重復頻率Nd；YAG激光器和穩(wěn)定的基模輸出激光器。目前國外航空發(fā)動機公司使用平均功率為400W的Nd；YAG激光器加工鎳基合金發(fā)動機葉片小孔。

YAG激光器內部圖

美國普惠公司用座標釹玻璃激光器在鎳鈷合金渦輪葉片上加工直徑為0.5mm，深為3.1mm的冷卻孔，只用7秒鐘。

釹玻璃激光器

國外一些航空活門制造廠廣泛采用激光打孔。采用50WCO2激光打孔，打出孔徑為0.2mm-1mm，加工時間為50ms-80ms，效率可以達到300孔/分。

CO2激光器

激光切割

激光切割是激光在材料加工中另一項成熟的應用。激光切割范圍和很寬，它可以切割各種高硬度、高熔點的金屬、非金屬等各種材料。激光切割具有切縫窄、速度快、熱變形小，省材等優(yōu)點。并可切割硬質材料、脆性材料及粘性材料。

激光切割技術

相較于傳統(tǒng)的切割方法，激光切割技術的高精度、強適應性以及噪聲小、切割質量好等待點被大面積的應用，與此同時，對于一些復雜且借助大型磨具完成的加工操作，在激光切割技術的應用下，不僅不需要應用磨具，同時還能夠保證切割的質量，在降低生產(chǎn)成本的過程中，提高生產(chǎn)效率。因而，激光切割技術被廣泛應用于航空制造等領域中。

激光切割鈑金

在航空工業(yè)中激光切割的材料有：鈦合金、鎳合金、鉻合金、鋁合金、不銹鋼、塑料、復合材料等。在航空設備制造中，外殼采用特殊金屬材料制成，強度高、硬度高、耐高溫，普通的切割手段很難完成材料的加工，激光切割是一種高效的加工手段，可激光切割加工飛機蒙皮、蜂窩結構、框架、發(fā)動機機匣等。激光切割一般用連續(xù)輸出的激光器，也有高重頻二氧化碳脈沖激光器。

激光切割航空零件

激光焊接

激光焊接是以激光為熱源進行的焊接。激光是一束平行光，用拋物面鏡或凸透鏡聚焦，可以得到較高的功率密度。用高密度的激光熱源進行焊接，可焊接熔深要求較大的焊縫。

激光焊接

與其他焊接方法相比，激光焊接有如下優(yōu)點：

1、焊接輸入熱量可受控并降低到最低需要量，焊接熱影響區(qū)金相變化范圍可以很小，零件焊后導致的變形亦最??；

2、無電極，無電極污染或受損的顧慮，機具的耗損及變形可降低至最低；

3、焊接不受距離限制，可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站，易于自動化高速焊接；

4、激光束不受磁場干擾，便于精確對準焊件，焊接精度高；

5、不需要真空，也不需做射線防護。

目前，激光焊接機已達到脈寬從20μs到20ms；平均功率10W到500W；每個脈沖能量0.1J到100J；重復頻率0.1Hz-600Hz。現(xiàn)在美國、日本、蘇聯(lián)等發(fā)達國家都研制出性能先進的固體激光焊接，有的已步入商品行列，應用于航空、航天、電子工業(yè)中，如航空模盒、儀表殼體、波紋管、顯像管、各種熱敏元件等。

激光焊接器

在航空工業(yè)中激光焊接技術應用的很廣泛。

以激光焊接代替飛機鉚接工藝：

目前的鋁合金板材結構的連接一般仍采用傳統(tǒng)的鉚接工藝，但是這種工藝存在不可避免的問題，如飛機質量增加，需要預加工工藝孔，準備時間長等問題。

使用激光焊接不論從降低飛機制造成本、縮短生產(chǎn)周期、還是減輕飛機質量、體高飛機性能方面都有良好的表現(xiàn)。目前，激光焊接已應用于波音、空客等主要航空企業(yè)的飛機制造中。

激光焊接蒙皮與長桁

普惠公司在美國空軍項目IMIP計劃資助下，建立了渦輪葉片激光焊接中心，可以完成渦輪葉片所需要部件的自動激光焊接，如JT9D和FLO的二級渦輪轉子葉片以及V2500、F100PW-220、PW2037、PW4000等發(fā)動機的渦輪葉片、導向葉片、機匣、燃燒室等均采用激光焊接工藝技術。V2500發(fā)動機的風扇機匣前后段就是日本JACE的相關公司采用6kw的CO2激光將其焊接成整體的。

V2500 發(fā)動機

激光沖擊強化

激光沖擊強化簡稱LSP技術，是一種利用激光沖擊波對材料表面進行改進，提高材料的抗疲勞度、磨損和應力腐蝕等性能的技術。

利用高功率短脈沖激光與板材相互作用產(chǎn)生強沖擊波，在工件表面形成瞬時溫度高達10000℃的高溫和數(shù)GPa的高壓，使金屬材料發(fā)生微彈塑性變形，從而提高金屬材料的疲勞壽命和抗疲勞磨損機械性能，達到航空器材改性目的。航空鋁合金7050T541在經(jīng)過激光沖擊強化處理后，試件沖擊區(qū)表面的殘余應力與未經(jīng)沖擊處理區(qū)相比，有了極高的提高，可以達到-147MPa～-237MPa以上的水平，試件疲勞壽命能提高到未經(jīng)沖擊處理試件的518%以上。

激光沖擊強化

激光沖擊強化的應用剛開始進程不快，范圍也不廣，1974年和1983年美國人僅取得了兩項發(fā)明專利，1996年以后，人們充分認識到其能顯著提高表面殘余壓應力和表面疲勞壽命，并能控制表面裂紋的發(fā)生和生長。如今，激光沖擊強化應用飛速發(fā)展，通用電氣公司在激光沖擊強化上取得了至少23項美國專利。

激光沖擊強化加工金屬表面

在航空領域中，激光強化處理可用來整修飛機上的緊固件等，目前飛機上所使用的緊固件數(shù)量驚人，僅對于在機翼還是機翼或機身的各種重要部件而言，每架飛機緊固件數(shù)量也高達3-20萬件。因此，開展激光沖擊強化技術能改善飛機結構中的緊固件周圍疲勞性能的應用研究，提高飛機的安全性、可靠性和使用壽命均具有重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益。

激光沖擊強化緊固件

提高關鍵零部件的耐磨性和高頻疲勞壽命方面，激光沖擊強化能在材料內部產(chǎn)生較大的殘余壓應力，并可深達1.0mm至2.0mm，而普通的機械噴丸硬化只有0.25mm深。較大的殘余壓應力對諸如渦輪葉片這一類的部件的關鍵區(qū)域有著至關重要的作用，其可防止裂紋擴展，延長葉片壽命。激光沖擊強化特別適合強化有應力集中的局部重點疲勞區(qū)，如孔、槽、圓角等，適合于激光沖擊強化處理的材料為碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金高溫合金等。適合處理的零件很多，如齒輪、軸承、連接桿、渦輪葉片、軸等。精加工后的工作面，可阻止處理部位材料裂紋的擴展。

發(fā)動機整體葉盤進行激光沖擊強化

激光熔覆

激光熔覆是材料表面改性技術的一種重要方法，它是利用高能激光束子在金屬表面輻照，通過迅速熔化、擴展和迅速凝固，冷卻速度通常達到102-106/s，在基材表面熔覆一層具有特殊物理、化學或力學性能的材料，從而構成一種新的復合材料，以彌補機體所缺少的高性能，這種復合材料能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，彌補互相的不足。對于某些共晶合金，甚至能得到非晶態(tài)表層，具有極好的抗腐蝕性能。

激光熔覆技術

國內外研究表明，決定激光熔覆宏觀、微觀質量的因素主要是激光參數(shù)、材料特性、加工工藝及環(huán)境條件；激光束、粉末和基體之間的相互作用時間等。一個良好的熔覆層應該具有較低的稀釋率，無開裂、無氣孔、無夾渣、使用時無脫落，熔覆層與基體呈冶金結合，性能均勻，外觀平整，能滿足預定的使用性能要求，如：耐磨、耐腐蝕、抗氧化、高硬度、高強度等。國內外學者圍繞熔覆層質量做了大量工作，并取得很大的進展。

激光熔覆技術修復磨損模具及工件

在航空工業(yè)是最先吸取激光熔覆的優(yōu)點用于生產(chǎn)的部門，因為它不僅能用于加工零部件，而且能用于修理零部件。第一個激光表面熔覆應用在1981年Rolls-Royce的RB211飛機發(fā)動機高壓葉片連鎖。航空發(fā)動機鈦合金和鎳合金摩擦副的接觸磨損是發(fā)動機使用和維修中的一大難題，通過激光熔覆技術則可獲得優(yōu)質的涂層，為燃氣渦輪發(fā)動機零部件的修復開創(chuàng)一個新的局面。如針對航空發(fā)動機渦輪轉子部件，航空發(fā)動機渦輪葉片葉尖鎖口部位的實際使用情況，研究了激光表面熔覆高溫耐磨涂層的激光噴涂技術，提高了合金基體耐高溫及抗腐蝕性能。再者通過利用激光熔覆技術熔覆鈷基合金，提高了耐熱和耐磨性能。

經(jīng)過激光熔覆修復的航空發(fā)動機葉片

齒輪軸激光熔覆修復

激光近形制造技術

激光近形制造是基于局域送粉的金屬零件快速制造方法，它是在激光涂覆技術的基礎上發(fā)展起來的。激光涂覆的目的是通過在被加工工件的表面熔覆功能層來提高工件的耐磨性和抗腐蝕能力，常用于零件或者模具的修復。為了實現(xiàn)修復，補充缺損的材料，常常進行多層加工，在此基礎上形成了激光生長技術。

激光近形制造技術

激光近形制造技術在航空領域的應用直接體現(xiàn)在航空用鈦合金結構件的直接制造以及航空發(fā)動機零件的快速修復方面。在四代機F-22中鈦合金結構件用量占機身結構重量的41%，先進航空發(fā)動機中鈦合金占發(fā)動機重量25%-40%。鈦合金用量的高低已經(jīng)成為衡量飛機、發(fā)動機等國防裝備先進性的重要標志之一。由于大型鈦合金結構件的傳統(tǒng)制造方法具有成本高、鍛造模具準備時間長、大型以及超大型工業(yè)設施匱乏、數(shù)控加工設備稀缺、機械加工量大、材料利用率低等弱勢，采用激光近形制造技術直接制造大型鈦合金結構件顯示了巨大的優(yōu)勢。

激光近形制造技術制造的戰(zhàn)機外掛架艙壁

在航空發(fā)動機零件的快速修復方面LENS技術也發(fā)揮了極大的優(yōu)勢。例如美軍為了取得軍事上的優(yōu)勢在惡劣的沙漠環(huán)境中使用T700黑鷹直升機，由于發(fā)動機上很多帶葉片的葉輪受到沙粒侵蝕，使直升機的飛行壽命銳減。葉輪的侵蝕不僅減小了發(fā)動機的飛行壽命，還導致燃料損耗增加、馬達動力減弱、工作溫度升高以及壓氣機和渦輪零部件的損害。如果更換整個葉輪，成本將非常昂貴。美軍引入了LENS技術對破損的零部件進行修復。

激光近形制造技術修復的葉輪上的葉片

激光航空儀表裝置中的應用

1.激光測距

利用激光極好的方向性、高強度，可以制成激光測距儀、激光雷達等。它測量目標的距離、方位和速度非常精確，比普通微波雷達高的多。

激光測距原理

用機載激光測距系統(tǒng)來測定沿海水深，不僅速度快，而且可對船舶不易接近的水域進行測量；激光測云儀，可精密測量云層的分布，這對氣象研究有重要意義。

激光測距

2.激光陀螺

激光陀螺是測定物體轉速和轉動角度的一種儀器，是導航和制導的關鍵設備。激光陀螺的發(fā)展已有二十幾年，正日趨成熟，在各種慣性制導和導航領域中都可以應用。

激光陀螺內部

目前世界上已有美、英、法、德等國家的數(shù)十家公司在研制開發(fā)。僅美國研制激光陀螺的公司就有十多家。

民航是激光陀螺應用的大戶。1982年美國的霍尼韋爾公司首創(chuàng)的ARINO704激光陀螺慣性基準系統(tǒng)進入航線使用。1986年該公司已交付24套激光陀螺慣性基準系統(tǒng)，應用在波音757、767、737等機型上。除了導航外，激光陀螺還可應用于精密測量、姿態(tài)控制、定位等民用領域。

激光陀螺

3.激光準直

由于激光具有良好的單色性、方向性及高強度，加上裝置得到結構簡單，因此在各種工程中廣泛地當作基準線使用。

目前激光準直大都采用氦氖激光器，它發(fā)出紅光束，很容易觀察，并能在相當大的距離內工作。在航空工業(yè)中，激光準直除了飛機型架的安裝外，還可以用于飛機的水平測量，如用來測量機翼的安裝角、上反角及舵面的偏轉角，襟翼或副翼的偏轉角；測量機身各段和發(fā)動機的同軸性等。

激光準直應用