江苏航空航天精准激光焊接技术取得新突破
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7月，中国首款具有完全自主知识产权国产大飞机C919在广西正进行常态化试飞，中国空间站重要组成部分问天实验舱将搭载长征五号B遥三火箭发射升空……航空航天领域果实累累。据悉，飞机和火箭的成功研发，位于江苏的南京先进激光技术研究院（简称“南京激光院”）自主研发的精准激光焊接技术功不可没。 “我们主导研究的‘航空航天轻合金大型复杂结构精准激光焊接技术与装备’项目取得了重大突破！”南京激光院“航空航天轻合金大型复杂结构精准激光焊接技术与装备”项目经理唐一峰介绍，目前研发成果“双光束双侧同步焊接技术”成功应用于C919大型客机机身壁板结构、长征五号重型运载火箭框桁式贮箱结构等，为我国航空航天制造水平与全球竞争力的提升做出了重要贡献。
“质量轻”“强度高”，专家解析飞行器结构 C919大型客机的机身壁板结构是什么？长征五号重型运载火箭的框桁式贮箱结构又是什么？为什么C919大型客机和长征五号火箭在制造过程中需要利用精准激光技术？记者咨询了南京激光院的专家。 “C919大型客机的机身壁板结构常被称作‘骨架蒙皮结构’，或‘蒙皮-桁条T型结构’。”唐一峰告诉记者，简单来讲，就是机身壁板内部有长桁条作为骨架支撑连接，外部蒙上一层金属板，形成一个共同作用体系。“这样既能够实现机身结构的轻质，又能够保证机身结构的强度。”他解释。 长征五号重型运载火箭由于拥有壮硕的身躯，被称为“胖五”，起飞重量达878吨。而火箭贮箱犹如一个“大肚子”，占火箭结构重量60%以上，装载为火箭提供助力的推进剂。“‘贮箱’指的就是火箭中部的那个‘筒’。框桁式的贮箱结构由外而内分别由蒙皮、桁条和环形的框组成。”唐一峰说，蒙皮用于承担内部液体燃料的压力，桁条用于承担“筒体”的轴向载荷，从而提高整体结构的承载效率，并降低贮箱自身重量。 “航空航天领域飞行器制造材料的关键要求是质量轻、强度高。”唐一峰介绍，制造飞行器的材料一般是铝合金、镁合金、钛合金以及复合材料等轻质材料，而双光束双侧同步焊接技术能够迎合这类轻质材料的焊接需求。“光是制造材料满足服役强度还不够，还要尽量减少材料的使用。”他补充，“无论是客机的机身壁板结构还是运载火箭的贮箱结构，在结构设计时都会注意这一点。”
双光束焊接实现省成本、减“体重” “激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，对零件的装配精度要求较高。”唐一峰表示，铝合金、镁合金等轻合金属于激光焊接的高反材料，焊接过程中容易出现气孔和裂纹，焊接后应力大、变形难以控制。“所以飞机机身壁板和火箭框桁式贮箱的焊接难度极高。” “我们通过双光束双侧同步焊接技术实现了桁条与蒙皮T字型接头的双侧同步焊接。这样既改善了长焊缝的焊接接头变形问题，又提高了它的强度。”唐一峰介绍，相比于航空航天大型复杂壁板舱体制造通常采用的传统铆接工艺，双光束双侧同步焊接技术能够减少壁板5%的结构重量，降低15%的制造成本，并具有气密性好、疲劳性能高、生产效率高、容易实现自动化、柔性化等优点。 “T型接头是空间三维复杂的曲线结构。为了满足这种复杂结构的焊接需求，提高精密度与效率，我们自主开发了离线编程软件，在电脑上模拟机器人的焊接过程，并优化整个激光焊接工作。”唐一峰回忆，正是因为研究人员不断提问、不断改进、一步一个脚印，才取得了航空航天领域精准激光焊接技术的重大突破。“我们攻克了大型龙门的焊接设备双机器人无差别同步协调控制和双侧激光束能量平均分配等难题，最终实现了桁条T型接头的双光束双侧同步焊接。”这项技术还获得了2021年江苏省科学技术奖一等奖。
前景广阔，推动智能制造、钢铁冶金 “相比于以往传统的加工方式，双光束双侧同步焊接技术有两个重要特点：节约材料和提高强度。”唐一峰强调，“这表示双光束双侧同步焊接技术在飞行器制造方面有很大潜力。”他补充，除了应用于飞行器制造领域，激光焊接技术还可以应用于化工领域。“许多化学容器会有T字型结构，利用双侧同步焊接技术就可以提高容器质量。” “我们使用大型龙门装载了两台可以实现同步协同控制的机器人，这一装备技术推动了智能制造领域的发展；此外，双光束双侧同步焊接技术为钢铁冶金的材料制备方面也提供了宝贵经验。”唐一峰表示，精准激光焊接技术与装备技术的突破将进一步推动江苏航空航天、智能制造、钢铁冶金等产业的发展，为江苏高端智能装备的发展探索出一条新的路径。 据了解，在航空航天领域，南京激光院的科研人员将瞄准轻型合金材质的大型复杂结构间激光焊接的重大机理以及技术装备，进一步围绕飞行器的轻重量、高性能、长使用寿命、高可靠性等重大需求开展研究。“我们希望能够继续推动飞行器制造的减重效果与结构强度。”唐一峰期望。 来源：交汇点 |
