深度观察：激光在航空航天制造中的应用！

近年来，航空航天领域——包括商用和军用飞机、卫星、航天器、无人机和无人驾驶飞行器（UAV）发生了一些翻天覆地的变化。越来越多的公司加入了太空竞赛，其中许多公司需要创新的制造技术。

相比之下，新冠疫情造成的旅行限制对商业航空的影响，导致民用飞机制造率下降了三分之一。

2019年，欧洲是民用飞机和直升机生产（包括各种零部件和飞机发动机）的全球领导者之一，提供了约40万个就业岗位，创造了1300亿欧元的收入。虽然太空探索和国防基本上没有受到新冠大流行的影响，但民用飞机的生产制造却仍处于恢复阶段。

在2023年2月出版的《商业航空不确定性规划》（Uncertainty in Commercial Aerospace）中，知名咨询调研企业麦肯锡报告称，全球需要在2027年底之前消化掉建造9400架客机（主要是窄体喷气式飞机）的积压订单。但航空客运的未来增长、供应链和劳动力的健全性都存在不确定性。因此，制造商需要提高生产效率和灵活性，以处理好积压的产品，并对未来需求的变化做出反应。

激光加工提高生产率和保持低成本的能力，或将在实现航空航天工业的这种反应中发挥关键作用。激光加工——以切割、焊接、喷丸和钻孔等形式实现操作，已经成为了航空航天制造不可或缺的一部分。

例如，激光用于制造飞机机翼的襟翼、机翼紧固件、喷气发动机部件和座椅部件，也用于修复涡轮机、清洁或去除部件上的油漆，并准备好用于进一步加工的零部件表面。近年来，激光增材制造（AM）在航天飞行领域也越来越受欢迎。另外，市场希望提高航空航天部件的可追溯性，随之对激光打标的要求也越来越高。

激光切割是一种快速、经济高效、精确的过程，可用于满足航空航天领域严苛的制造要求。

与传统加工相比，激光切割精度高，材料浪费少，加工速度快，成本低，设备维修少。此外，由于它可以快速方便地对加工进行任何必要的更改，因此可以最大限度地提高生产率。

激光可用于生产机翼紧固件零件、夹具零件、末端执行器零件、工装零件等。它同样适用于小型部件，如嫁接油垫圈和钛引气管道歧管，以及较大的部件，如排气锥。它可以加工各种航空航天材料，包括铝、哈氏合金（已与钼和铬等元素合金化的镍）、铬镍铁合金、镍钛合金、镍钛诺、不锈钢、钽和钛。

激光焊接也用于航空航天领域，作为传统连接方法（如粘合剂粘合和机械紧固）的替代方法。例如，在飞机制造中使用激光焊接轻质铝合金和碳纤维增强聚合物（CFRP）这些材料越来越受重视，并且在任何可能的地方都被用来取代铆接。激光摆动焊接等技术在油箱连接方面也取得了成功，提高了连接效率和强度，减少了返工，节省了大量成本。航空航天领域的其他焊接成功案例包括：将涡轮叶片的铸芯连接到盖板上；以及创造新型的轻型机翼襟翼，从而增加层流控制，最大限度地减少阻力并优化燃油效率。

与传统方法相比，激光焊接具有节省成本、减轻部件重量和提高焊接质量的潜力，目前市场上有几家制造商甚至开始考虑采用激光焊接来生产机身零件。

航空航天领域的制造商使用激光清洗来去除金属和复合材料表面的层，以便为加工做准备，去除涂层或腐蚀，并在重新粉刷之前去除大型部件或整个飞机的油漆。

在清洗过程中，激光被金属表层吸收和蒸发，从而实现了表面材料的烧蚀，同时对里层的材料几乎没有影响，并且不会对组件产生附带的热损伤。千瓦级的脉冲光纤激光器特别适用于快速激光清洗——它们可以对包括陶瓷、复合材料、金属和塑料在内的各种材料进行高效率、高精度的清洗。

近年来，复合材料在飞机上的使用量增加了，因此将金属连接到复合材料上的需求也增加了。在航空航天制造中，粘合剂可以用来连接这两种不同的材料，为了建立牢固的结合，在使用粘合剂之前，必须仔细准备两个表面的加工。

激光清洗是理想的选择方案，因为它可以形成非常严格控制、可复制的表面效果，能够实现一致、可预测的粘合。传统上，这将通过破坏性的爆破技术或几种化学品的应用来完成。然而，激光清洗现在提供了一种一步的方法，不仅更具成本效益和生产力，而且对环境的影响也更小，因为不需要有毒化学品或爆破材料。激光清洗对部件的影响，也比传统方法温和得多。

当涉及到油漆剥离时，激光清洗金属和复合飞机部件也比化学剥离或爆破技术更有利。在其使用寿命期间，一架飞机可能会重新粉刷4－5遍，使用传统技术可能需要一周或更长时间才能从整架飞机上清除油漆。相比之下，根据飞机的大小，激光清洗可以将这个时间缩短到3－4天，它还使工人更容易接触到零件。此外，当用于除漆而不是化学剥离或爆破时，激光清洗可节省大量成本——每架飞机可节省数千英镑，因为危险废物减少了约90％或更多，降低了材料处理要求。

金属部件内部的应力可能导致飞机部件（如喷气发动机的风扇叶片）的金属疲劳失效，这有可能造成损坏或伤害。这可以通过一种被称为激光强化（laser peening）的技术来缓解。

在这个过程中，激光脉冲被引导到一个高应力集中的区域，每个脉冲会在组件表面和顶部喷洒的水层之间点燃一个微小的等离子体爆炸。水层限制了爆炸，这导致冲击波穿透组件，并在其传播区域扩大时产生压残余应力。这些应力抵消了开裂和其他形式的金属疲劳。与传统工艺相比，激光强化可使金属零件的使用寿命延长10－15倍。

激光喷丸在航空航天工业中的应用越来越广泛。例如，LSP Technologies和空客公司共同开发了一种便携式激光强化系统，该系统最近在空客公司位于法国图卢兹（Toulouse）的维护和维修设施中进行了测试和评估。

Leopard激光喷丸系统将通过抑制由循环振动应力引起的裂纹出现、扩展来延长疲劳寿命。光纤光束传输的灵活性和定制工具使该系统能够激光照射飞机难以到达的区域。根据合作伙伴的说法，该系统是激光强化技术的一个突破，将推进其使用，包括延长喷气发动机叶片的寿命等等。

美国海军舰队准备中心东部（FRCE）最近也完成了激光冲击强化工艺的验证，该工艺已成功用于 F－35B Lightning II飞机。FRCE使用该工艺来加强 F－35B Lightning II的框架，而不增加任何额外的材料或重量，否则将限制其燃料或武器运载能力。这有助于延长第五代战斗机的预期寿命，第五代战斗机是美国海军陆战队使用的短起降型。

现代航空发动机大约有50万个孔洞，数量大约是20世纪80年代制造的发动机的100倍。与此同时，飞机制造商也在生产越来越多的其他部件，这些部件有大量的铆接和螺钉连接的钻孔。因此在航空领域，激光打孔具有巨大的市场潜力，因为它提供了精确、可重复、快速和经济高效的过程。

例如，新的高功率飞秒激光系统正在开发中，用于在大型钛制HLFC（混合层流控制）面板上进行高效而精确的微钻孔，这些面板将安装在机翼或尾翼稳定器上。这些面板通过小孔吸入空气，从而减少了摩擦阻力，并降低了燃料消耗。

激光越来越多地用于CFRP飞机部件的钻孔（图片来源：汉诺威激光中心）

由于激光钻孔是无接触的，被加工的材料不需要像用传统工具加工一样用同样的方式进行固定。无接触的另一个优点是不会产生刀具磨损，这在钻削CFRP组件的操作中代表了一个特别的优势。由于其硬度，CFRP组件会对传统工具产生非常大的磨损。激光钻孔也可以在非常高的速度下进行，因此热量的过度损害不会对正在加工的材料造成伤害。

激光增材制造（AM）在航空航天工业中也得到了迅速的发展。在这种技术中，激光熔化连续的粉末层来构建形状。一家位于加州的火箭公司最近甚至订购了两台12激光束的3D打印机，通过制造更轻、更快、更坚固的空间组件，使其太空任务更经济、更高效。

虽然许多项目仍处于测试阶段，但激光增材制造已经在两次火星任务中成功使用。美国宇航局的“好奇号”火星车于2012年8月着陆，是第一个携带3D打印部件前往火星的任务。这是火星样品分析（SAM）仪器内的陶瓷组件，是正在进行的测试计划的一部分，以调查增材制造技术的可靠性。

NASA制造的双金属燃烧室，配有GRCop－42 L－PBF衬垫和Nasa HR－1 LP－DED护套（图片来源：NASA）

与此同时，美国宇航局的“毅力号”探测器于2021年2月降落在火星上，它包含11个用激光增材制造的金属部件。其中5个部件在“毅力”号的X射线岩石化学行星仪器（PIXL）中，该仪器正在寻找火星上微生物化石生命的迹象。这些部件需要达到非常轻的标准，以至于传统的锻造、模压和切割等技术无法生产出来。

美国宇航局（NASA）也一直在试验使用激光增材制造火箭部件。在一项研究中，火箭发动机的燃烧室是用铜合金制造的。这种激光增材制造的持续发展导致该部件的制造成本大约是传统加工、连接和组装所需成本的一半，时间只有传统加工、连接和组装所需时间的六分之一。由于所使用的铜合金对红外激光器具有很强的反射性，美国宇航局（NASA）现在正在研究绿色或蓝色激光器如何提高效率和生产率。

虽然增材制造在航空航天领域的应用目前还处于早期阶段，但预计未来20年将会有所增长。

激光毛化在航空航天工业中也是一种非常新的应用。这种工艺中，超快激光被用来通过一种被称为直接激光干涉图样（DLIP）的技术在飞机表面上产生微纳米结构，这种技术被用来产生一种天然的“荷花效应”，其打造出来的纳米结构有助于防止表面污染，以及防止飞机上的冰积聚。

创新的光学将一个强大的超快激光脉冲分成几个部分光束，然后在被加工的表面上组合。当在显微镜下观察时，产生的微观结构类似于由“柱子”或波纹组成的微观“大厅”。“柱子”之间的距离大约在150nm到30μm之间——这种结构意味着水滴不再湿润表面并粘在表面上，因为它们在表面上没有足够的抓地力。

这种材料对飞机的好处包括：增加了对水、冰和昆虫的排斥。这些都可以粘在飞机表面，并增加了飞机的抗风能力，从而增加了燃料消耗。应用这种激光纹理，将减少目前应用于飞机表面的有毒化学处理的需要，以避免结冰。众所周知，随着时间的推移，它会老化，容易损坏。此外，用DLIP方法生产的激光结构可以持续数年，并且不会引起环境问题。

注：本文编译自Laser Systems Europe发布的文章《激光在航空航天制造中的应用》，原文标题：Laser applications in aerospace manufacturing