星空体育:热荐爆文 | 激光加工技术在钛合金航空结构件制造的应用与展望
文章出处:本站 人气:发表时间:2024-06-27 15:35
原标题:热荐爆文 | 激光加工技术在钛合金航空结构件制造的应用与展望
点击查看详细介绍
激光加工技术在钛合金航空结构件制造的应用与展望
陈柯
摘 要激光制造加工是激光产业应用的主要方向,以激光为代表的高能束流加工是航空装备研制中不可或缺的技术。综述了各代军机结构需求及材料发展,分析了军机结构件制造面临的挑战及发展趋势,介绍了激光加工技术在钛合金航空结构件制造中的应用现状,激光焊接技术主要用于蒙皮与长桁的焊接、腹鳍和襟翼的装配焊接,激光增材制造主要用于复杂钛合金机体结构件的快速制造,并展望了即将开展的应用。相较于传统钛合金加工工艺,激光焊接技术、激光熔化沉积技术能实现结构件大型化、整体化制造,激光选区熔化技术能实现复杂拓扑化结构件的制造,相关制造技术能有效实现机体减重,增长机体疲劳寿命,提升材料利用率,降低制造成本。最后结合当下国际背景以及新时期的发展需求,对激光加工成套设备在钛合金航空结构件制造的发展趋势进行了展望,成套系统多功能化、加工过程智能化、配套设备高效化、核心部件自主化将提升我国高端激光加工设备核心竞争力,助力钛合金航空结构件制造高速发展。
关键词航空结构件;激光焊接;激光增材制造;钛合金
0前言
激光加工技术作为一种先进的加工手段,在现代航空航天、国防领域以及国家建设中扮演着越来越重要的角色。特别是在钛合金加工领域,2000年以后,随着高功率激光器品质的不断提升,激光焊接与激光增材制造的应用越发广泛。本文在研究国内外激光加工技术相关文献报道的基础上,对激光焊接和激光增材制造在钛合金航空结构件加工中的应用现状进行总结分析。随着航空结构件向大型整体化、构型拓扑化、结构功能一体化的不断发展,未来激光加工技术在钛合金结构件加工领域的应用场景将更为广泛,同时也对未来钛合金激光加工成套设备也提出了更高要求,不受制于人的高端激光成套制造设备将是钛合金航空结构件加工核心竞争力。
1军机结构件制造面临的挑战及发展趋势
1.1 各代军机结构需求及材料发展
一代军机,一代材料 [ 1] 。第一代飞机主要满足高亚音速飞行,强调结构件的屈服强度、抗拉强度、塑性及冲击韧性,主要使用钢骨架和木质材料;第二代飞机主要满足高空高速、近距格斗需求,强调关键部位的疲劳性能,大量使用铝合金和钢;第三代飞机主要满足高亚声速机动性需求,关键部位的材料要求具有较高的损伤容限性能,要求材料具有较低的裂纹扩展速率和断裂韧度,需要应用大量轻质高性能材料,在铝合金和钢的基础上,增加了钛合金与复合材料的使用;第四代飞机主要强调隐身性能和长寿命周期,注重飞机的耐久性设计,主要材料与三代机相近,但钛合金与复合材料占比更大;第五代飞机需要具备高智能、高协同、高速飞行的特性,对结构强度要求更高,还需应用大量热防护材料和耐高温合金。
1.2 军机结构件制造面临的挑战
1.2.1 减重增寿
机体结构是决定军机性能指标关键要素之一,半个世纪以来,结构技术一直在发展,结构形式已趋于“经典” [ 2] 。如表1所示,国外各代战机机体结构重量占全机重量百分比不断降低,机体疲劳寿命需求在不断增长。但相较于理想结构重量,F35A超重640 kg,F35B超重900 kg,近期美国投入3.5亿美元对162架四代飞机进行抗疲劳结构改进。减重增寿仍然是军机结构件制造面临的主要挑战。
表1 机体结构重量与寿命对比Table 1 Comparison of structural weight and service life of different generations
1.2.2 低成本、快速制造
快速制造和低成本制造是战机工业化生产的核心。现有的结构件制造工艺,材料利用率极低,部分结构零件材料去除率达90%以上;复杂结构件加工工序多,生产周期长。简化制造工艺,提升加工效率,提高原材料利用率,既满足国家“双碳”发展新形势的需求,也符合航空制造业的根本利益。
1.3 军机结构件制造发展趋势
1.3.1 结构大型化、整体化
目前的机体结构采用以小拼大的方式通过连接件完成连接 [ 3] ,该方式直接导致了机体结构超重,疲劳薄弱环节多,开裂频发。对于飞机结构件,将传统装配结构进行一体化设计并完成制造,既减少了结构件和连接件的数量,又能有效消除分离面,减少冗余结构,减缓应力集中,减少疲劳薄弱环节。结构大型化、整体化设计,突破了原有机体设计极限,能够实现机体结构减重20%以上,力学薄弱环节预计减少30%以上,有效提升机体寿命。同时,整体化结构简化了机体装配工装与工艺,机体制造周期预计缩短30%以上。
1.3.2 结构构型拓扑化
用仿生拓扑构型代替传统的纵横加筋板构型,材料根据传力路径和功能需求布局,能将材料布置到最优传力路径,实现“无冗余”设计,进一步优化了结构设计,实现减重。图1为拓扑优化前后的飞机结构零件,零件质量由0.89 kg减至0.35 kg,减重60.6%。
图1拓扑优化零件Fig.1Topologically optimized parts
1.3.3 结构功能一体化
目前,军机的结构系统与功能系统是独立的,未来的军机会将功能系统融入结构中,取消功能系统的冗余,功能结构一体化,诸如防热材料、微结构与结构构型融合,达到耐热防热的目的,可进一步实现减重。典型防热承载一体化结构如图2所示。
图2防热承载一体化结构Fig.2Heat proof and load-bearing integrated structure
2激光加工技术在钛合金航空结构件制造中的应用现状
2.1 激光焊接技术
激光焊接在航空结构件制造的优势主要有两点 [ 4-5 ] :首先,焊接代替传统铆接,节省了大量铆钉,能有效实现减重;其次,整体焊缝的强度优于多个铆钉连接的强度。如图3所示,钛合金焊缝及其热影响区的强度均大于母材,整体焊缝的强度非常优秀,能够有效增长机体疲劳寿命。
图3TC4钛合金激光焊接接头拉伸断裂位置Fig.3Tensile fracture location of titanium alloy laser welding
目前应用最为广泛和成熟的是T型接头双光束激光焊技术,该技术最早由空客于2000年应用于A318系列飞机的下机身蒙皮焊接(见图4),被公认为近十年大型客机制造领域的一次技术革命,改变了焊接技术不适用于飞机制造的传统观念。国内针对TC4钛合金和TA15钛合金激光焊接已进行了系统的研究 [ 6-10 ] ,激光焊接已经应用于我国某些型号飞机的钛合金腹鳍制造、钛合金蒙皮拼焊、壁板与长桁T型接头焊接等,配套制造设备也较为成熟。图5为中国商飞双光束同步焊接设备,用于国产某客机制造。此外,北京航空制造工程研究所已将激光焊接技术应用于发动机钛合金承力构件制造。
图4空客A318下机身焊接Fig.4Lower fuselage welding of Airbus A318
图5中国商飞双光束同步焊接设备Fig.5Double beam welding equipment of COMAC
在钛合金承力结构件上,激光焊接技术即将开展深入应用,特别是钛合金原位激光焊接。原位焊接技术属于近净成形技术领域,是指零件成型后,仅需少量加工或不再加工,就可作为机械构件的成型技术。原位焊接技术是美国首次在F-22战机上提出并应用的,利用高能束流对装配体实施焊接,焊接后无需进行二次机械加工,实现了飞机骨架零件原位焊接工艺与装配技术的协调统一,代替传统铆接,大幅减重并缩短部件制造周期。F-22在研发阶段,受制于当时激光功率,钛合金后机身大量采用电子束焊接。先由3~4个片段纵向焊接组成盒状段,再由盒装段焊接成框,最后焊接为整体舱段,如图6所示,钛合金焊缝总长度约9 m,质量相比于机械连接减少182 kg [ 11] 。目前,原位焊接技术在国内航空制造领域尚无工程应用,钛合金结构件的原位激光焊接的应用将是未来极具价值的研究方向。
图6F-22整体焊接舱段Fig.6Integral welding structures of F22
未来,激光焊接在航空结构件制造领域的发展趋势,是焊接更为复杂的机体结构和新材料,进一步实现机体减重增寿。此外,航空结构件自身价值较高,保证加工质量至关重要,由此带来的挑战主要有以下几个方面:
(1)激光焊接头可达性拓展。
复杂钛合金机体框架结构的定位和夹持工装相互交错,对激光焊接头的可达性造成极大干扰。一方面,需要合理规划焊接路径,优化工装设计,保持操作空间的最大开敞性。另一方面,需要开展专用焊接头的研发,具备小型化、远距焊接、末端位姿可调等要素。
(2)变形控制。
变形控制包括焊接变形控制和热处理变形控制。需进一步开展焊接对象焊接工艺试验,完成最佳的焊接策略匹配,实现焊接变形控制最优解的同时保证焊接可靠性。需要进一步开展热处理变形机理研究,设计出合理的保形工装和热处理策略来实现复杂部件的热处理变形控制。此外,还需要探索新型的热处理方式,诸如超声冲击、激光冲击等特种工艺来消除焊接应力。
(3)新材料焊接。
针对未来超高速飞行器对耐温材料的需求,需进一步开展高温钛合金和热塑性复合材料的激光焊接工艺研究,并进行力学性能和疲劳性能考核,为后续新材料工程化应用提供支撑。
2.2 激光增材制造技术
激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)、激光直接沉积(Laser Melting Deposition,LMD)是目前主要的钛合金激光增材制造工艺 [ 12] 。航空结构件具有多品种、小批量的特点,结构越复杂,增材制造的成本和效率优势相比传统制造方法就越明显。
SLM技术分层层厚较小(30~60 μm),可直接快速成型终端金属产品,尺寸精度高,表面质量好,可实现任意复杂零部件的高效致密成形,特别适合内部有复杂异形结构且用传统方法无法制造的复杂零部件。
同类文章排行
- xingkong星空体育:先进制作技术范
- 王健林又悄悄卖了几家万达广场!保险、信托
- 为什么互联网产品越来越难做了?
- 在人工智能炒热机器人时,也被人把风带进了
- 国产顶级“二次元”IP:三国
- 珍爱智商,远离“区块链”
- 刮着大风的人工智能,躺着赚钱的自动驾驶
- 共享,正从风口到风险
- AI在内容分发上的绊脚石
- 智能音箱,正走在智能手表的老路上
最新资讯文章
- 星空体育:热荐爆文 | 激光加工技术在钛
- 星空体育:2022-2026年机械加工行
- 星空体育:先进制造技术的发展趋势与应用实
- 星空体育:机械加工实训总结与心得 机械加
- 星空体育:《机械制造技术基础》常见的问题
- 星空体育:我国高速加工技术现状及发展趋势
- 星空体育:2016-2021年中国油料加
- 星空体育:机械制造自动化技术
- 星空体育:机电一体化应用十篇
- 星空体育:2023年中国数控机床行业市场
- 星空体育:机械加工行业未来六大发展趋势
- 星空体育:机械加工技术论文
- 星空体育:2022-2026年机械加工行
- 星空体育:机器人入门困惑之资料总结
- 星空体育:机械制造智能化发展方向探讨
- 星空体育:《管理学》读书笔记
- 星空体育:汽车工业的发展现状十篇
- 星空体育:机械制造技术
- 星空体育:电焊技术论文十篇
- 星空体育:数控机床未来12大发展趋势!