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  • 激光加工技術是怎么修飛機的
  • 本站編輯:杭州圖源數控機械有限公司發布日期:2021-09-13 09:22 瀏覽次數:

近些年來,隨著新機的快速裝備,鈦合金和復合材料已成為我軍現役飛機的主要結構材料。而激光由于具有高方向性、高亮度、高相干性等優良品質而被廣泛應用于各個領域,它也必將在飛機結構修理優先域扮演重要角色。

激光加工技術應用:1激光熱處理技術

以一定速度移動的激光束照射金屬表面時,表層金屬吸收能量后迅速升溫,當光斑移動后,基體材料吸收表層的熱量使表層金屬的溫度以極高的速度迅速下降,形成不同于常規淬火的自淬火。由于自淬火的降溫速度極高,因此可得到顯微組織特殊的表面改性層,這對于提高金屬的硬度、耐磨性、耐腐蝕性、耐疲勞性有良好的作用。激光熱處理是比較早開發的激光加工技術,現在已形成了較完善的理論和工程應用技術。對于可以相變強化的碳鋼、合金結構鋼,激光表面淬火可以產生傳統淬火更高的硬度,甚至對于不具有淬硬性的一些低碳鋼材料也有一定的強化作用。圖1為35CrMo鋼的激光淬火效果。

2激光表面重熔技術

應用比激光表面淬火更高的激光功率密度照射金屬表面會使表層金屬熔化,光斑移動后,基體金屬吸熱使熔池內金屬液體迅速固化,形成強烈激冷的具有極細晶粒和過飽和固溶體顯微組織,由于細晶強化和固溶強化的作用,可以明顯提高材料表面的硬度、耐磨性。研究表明,通過重熔,鋁合金的硬度可以提高30%~100%,這是工藝比較簡單的激光加工技術,但是強化的幅度有限。對于承受交變載荷的飛機結構鋁合金型材、板材,激光重熔后必然存在的過熱層的疲勞品質是決定結構使用壽命的關鍵,因此,在進入工程應用前須以試驗驗證激光重熔對材料疲勞性能的影響。對于結構鋼材料,重熔硬化效果顯著,圖2所示為45#鋼激光重熔不同區域組織。由圖2可以看出,激光重熔后組織由珠光體轉換成馬氏體。

3激光表面合金化技術

在激光熔化表層金屬時向熔池加入設計的合金元素,可以在不改變基體合金成分的前提下在表層得到需要性能的合金化層。這項技術對特殊性能需要零件的制造十分有利,可制造出傳統制造技術無法實現的非均材質、非均一性能的金屬或復合材料零件。由于激光表面合金化過程中熔池降溫速度極高,可形成傳統冶金工藝條件下難以實現的合金、組織結構。因此,根據需要可以形成高的硬度、耐磨性,良好的耐腐蝕性能和耐熱性能的合金化層。針對鋁合金,人們試驗了各種不同的合金體系的激光表面合金化工藝,如Cu、Fe、Si、Ni、Cr 和WC、SiC 等。其中鎳基合金化層彌散有金屬間化合物AlNi、Ni3Al 相,具有較高的硬度和耐磨性,但是合金化層較脆,存在開裂現象。激光熔覆的結合界面必然存在基體與熔覆材料的合金化冶金過程。圖3 為鋁合金合金化成分掃描曲線。

4激光焊接技術

激光能量密度高,能在瞬間使表層金屬熔化、氣化,是焊接的理想能源,可以獲得寬度窄、熱影響區小的理想焊縫。目前已經在多種金屬、多種條件下獲得高質量的焊縫,是應用較廣泛的激光加工技術。對于飛機結構常用的LY12(2024)、LC4(7075) 等高強度、焊接性能較差的變形鋁合金,激光焊接是比較有發展前途的焊接技術。國內外研究人員應用連續式CO2 激光、Nd:YAG 激光、半導體激光、準分子激光為能源,以不同的工藝參數實現了較理想的2024、7075、6063、5083、5052等合金板材焊接, 并進行了有限元分析。因此,激光焊接技術在飛機結構修理領域有相當廣闊的開發前景,特別是在飛機結構損傷搶修優先域,由于其具有焊接速度快、施工較鉚接簡單的特點,是代替鉚接工藝的理想技術。對于鈦合金、高溫合金、不銹鋼材料,激光是理想的焊接能源,可形成熱影響區小、焊接應力小、變形小、性能高的焊縫。

5激光切割技術

激光可以切割幾乎所有材料,并且可以通過選擇氣化、熔化、氧化切割方法和工藝參數而在不同材料切割中得到高質量的切縫表面。激光切割變形小、精度高、節省材料、切割效率高、對環境污染小。在飛機結構損傷搶修優先域,應用激光切割技術可以快速切除損傷、變形的結構,為實施修復創造施工條件、節省寶貴的時間。

激光加工技術發展前景

激光加工技術在很大程度上適應了現代飛機搶修中對鈦合金切割、鈦合金焊接、復合材料的切割的廣泛需要。只要調整激光的功率密度和光斑移動速度就可以實現多種加工目的,是傳統加工工藝所無法比擬的。它可以成為彌補傳統搶修技術缺陷的推薦先進搶修技術,也是大有發展前景的搶修技術。

激光加工的表面改性技術已在航空發動機制造領域得到應用。使用激光熔覆技術熔鑄航空發動機渦輪葉片冠部,成功恢復了葉片軸向尺寸。在飛機結構修理領域,激光加工技術已經開始得到重視,加拿大將其列為有重大價值的技術。但是對于飛機結構的主要材料鋁合金,由于沸點低、傳熱快、對激光的吸收率低,激光加工較困難,是國內外激光應用優先域公認的難題。如能成功應用,具有非常高的學術價值和工程應用價值。

在激光搶修技術的研究上,我國海軍已走在國內前沿。2006 年由海軍航空工程學院等科研院所研制的“移動式激光搶修系統”已經開始配發部隊,為激光技術應用于飛機結構修理乃至戰時搶修創造了條件。