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激光在航天制造上的应用
2017-11-21   作者:

      激光被称为:“最快的刀”、“最准的尺”,“最亮的光”,应用于材料加工被誉为制造技术的革命。

 

      经过近四十年的发展,随着激光加工技术日趋成熟和激光器成本逐渐下降,被公认是“二十一世纪最有发展潜力的先进制造技术之一”,更是符合航天结构件轻量化、复杂化、精密化、高效化的加工制造要求。

 

 

      随着激光加工技术应用研究的不断深入以及航天多型号产品任务的崭新需求,激光焊接、激光切割、激光增材制造、激光表面工程等典型激光技术在航天结构件中不断实现工程化应用和丰富发展。

 

      其中激光焊接是航天领域应用最为成熟的技术,形成了一系列特点鲜明、优势显著的技术能力。如:

 

      1、航天大尺寸复杂同种或异种材料光纤激光焊接技术,涵盖了钛合金、不锈钢、铝合金等轻合金材料。

 

      2、实现了钛合金蒙皮骨架结构激光焊接技术、薄壁不锈钢结构激光焊接技术的工程化应用。

 

      3、钛合金蒙皮骨架结构激光焊接技术成功用于多系列产品的研制,整体技术达到了国内先进水平。

 

      同时,激光电弧复合焊接技术也已成为航天中厚壁高强钢结构件制造的优势技术。激光增材制造技术在近20多年已得到快速发展,它以结构功能一体化设计制造、短周期、近终形、无模具、无刀具等技术优势成为复杂构件快速制造的先进制造手段。在国内航天领域,应用SLM成形技术制造的部分零件甚至关键结构件,已初步进入试验验证阶段,正朝着工程化应用迈进。

 

      在激光切割领域,针对航天具有多品种、小批量的的特点,加工的板材及各类孔型部件的形状、尺寸具有多样性,同时在加工方式上涉及到二维和三维加工。

 

      传统的机械加工方式柔性差,加工效率低,制造成本高。

 

      激光切割同时具备切割效率高、切割质量好(切口宽度窄、热影响区小、切口光洁) 和强大的柔性加工能力(可随意切割任意形状) 等优点。因此,面向多厚度钛合金、不锈钢、铝合金材料的光纤激光切割技术在航天结构件下料成形制造中不断地研究发展并应用。

 

      上海航天精密机械研究所采用2台全光纤五轴数控激光加工装备加工中、大尺寸薄壁复杂结构件,如舱体、舵翼、瓜瓣、壁板等零部件,充分利用五轴数控机床的定位精度高、重复定位精度高、加工精度高、柔性强等特点,有力满足了航天结构件结构形状繁多复杂、设计尺寸精度高的制造需求。

 

      在大型铝合金结构件的激光切割方面,上海航天精密机械研究所在国内率先开展了运载火箭瓜瓣切割技术应用研究。瓜瓣是典型的大型自由曲面钣金构件,激光切割路径为空间三维波浪式环型。如何在任意切割点都始终保持光束与工件自由表面间的理想入射倾角、切割速度、切割功率是保证优质高效切割的关键难题。

      为此,采用具备高适应性RTCP功能和可自动调控工艺参数的五轴数控系统,开发嵌入调控激光控制参数的NC程序后处理模块,利用原位三维测量技术快速修补瓜瓣实物与理论三维模型误差,编制出五轴联动激光切割程序,自适应轨迹特征匹配合适功率/速度值,使热量均匀分布在零件轮廓上,保证加工质量。

 

      激光加工技术正处于上升期,具有良好的发展前景,但在我国却是近10年才发展起来的技术,需要尽快建立相应的技术标准,促进技术的工程化应用和市场推广。

 

      同时,目前我国航天事业进入了高密度、快速发射的蓬勃时期,航天产品激光切割参数选用、切割过程控制的人工参与度仍较高,经验因素占比大,难以满足航天产品多型号的快速响应敏捷制造目标。

 

      激光切割加工过程智能化程度仍需进一步提高,通过对工艺过程、零件制造质量等信息的采集以及工艺知识库对所采集信息的统计分析,进一步优化下一阶段零件的加工工艺,提升切割工艺决策智能化;通过三维在线高精度测量系统、各类自适应控制系统、自动化执行机构等有机建成闭环智能制造系统,达到零件制造状况的即时、优化响应,提升切割过程控制智能化。

 

      随着激光器、激光加工装备、信息化技术的持续革新,未来激光加工技术将沿着工艺复合化、过程智能化等方向深入融合发展,适应全球智能集成制造的发展需求。


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