前言
激光加工技術作為一種先進的加工手段，在現代航空航天、國防領域以及國家建設中扮演著越來越重要的角色。特別是在鈦合金加工領域，2000年以后，隨著高功率激光器品質的不斷提升，激光焊接與激光增材制造的應用越發廣泛。本文在研究國內外激光加工技術相關文獻報道的基礎上，對激光焊接和激光增材制造在鈦合金航空結構件加工中的應用現狀進行總結分析。隨著航空結構件向大型整體化、構型拓撲化、結構功能一體化的不斷發展，未來激光加工技術在鈦合金結構件加工領域的應用場景將更為廣泛，同時也對未來鈦合金激光加工成套設備也提出了更高要求，不受制于人的高端激光成套制造設備將是鈦合金航空結構件加工核心競爭力。
1、軍機結構件制造面臨的挑戰及發展趨勢
1.1 各代軍機結構需求及材料發展
一代軍機，一代材料［1］。第一代飛機主要滿足高亞音速飛行，強調結構件的屈服強度、抗拉強度、塑性及沖擊韌性，主要使用鋼骨架和木質材料；第二代飛機主要滿足高空高速、近距格斗需求，強調關鍵部位的疲勞性能，大量使用鋁合金和鋼；第三代飛機主要滿足高亞聲速機動性需求，關鍵部位的材料要求具有較高的損傷容限性能，要求材料具有 較低的裂紋擴展速率和斷裂韌度，需要應用大量輕質高性能材料，在鋁合金和鋼的基礎上，增加了鈦合金與復合材料的使用；第四代飛機主要強調隱身性能和長壽命周期，注重飛機的耐久性設計，主要材料與三代機相近，但鈦合金與復合材料占比更大；第五代飛機需要具備高智能、高協同、高速飛行的特性，對結構強度要求更高，還需應用大量熱防護材料和耐高溫合金。
1.2 軍機結構件制造面臨的挑戰
1.2.1 減重增壽
機體結構是決定軍機性能指標關鍵要素之一，半個世紀以來，結構技術一直在發展，結構形式已趨于“經典”［2］。如表 1 所示，國外各代戰機機體結構重量占全機重量百分比不斷降低，機體疲勞壽命需求在不斷增長。但相較于理想結構重量，F35A超重 640 kg，F35B超重 900 kg，近期美國投入 3.5 億美元對 162 架四代飛機進行抗疲勞結構改進。減重增壽仍然是軍機結構件制造面臨的主要挑戰。
1.2.2 低成本、快速制造
快速制造和低成本制造是戰機工業化生產的核心。現有的結構件制造工藝，材料利用率極低，部分結構零件材料去除率達 90%以上；復雜結構件加工工序多，生產周期長。簡化制造工藝，提升加工效率，提高原材料利用率，既滿足國家“雙碳”發展新形勢的需求，也符合航空制造業的根本利益。
1.3 軍機結構件制造發展趨勢
1.3.1 結構大型化、整體化
目前的機體結構采用以小拼大的方式通過連接件完成連接［3］，該方式直接導致了機體結構超重，疲勞薄弱環節多，開裂頻發。對于飛機結構件，將傳統裝配結構進行一體化設計并完成制造，既減少了結構件和連接件的數量，又能有效消除分離面，減少冗余結構，減緩應力集中，減少疲勞薄弱環節。
結構大型化、整體化設計，突破了原有機體設計極限，能夠實現機體結構減重 20%以上，力學薄弱環節預計減少 30%以上，有效提升機體壽命。同時，整體化結構簡化了機體裝配工裝與工藝，機體制造周期預計縮短30%以上。
1.3.2 結構構型拓撲化
用仿生拓撲構型代替傳統的縱橫加筋板構型，材料根據傳力路徑和功能需求布局，能將材料布置到最優傳力路徑，實現“無冗余”設計，進一步優化了結構設計，實現減重。圖 1 為拓撲優化前后的飛機結構零件，零件質量由 0.89 kg 減至 0.35 kg，減重60.6%。
1.3.3 結構功能一體化
目前，軍機的結構系統與功能系統是獨立的，未來的軍機會將功能系統融入結構中，取消功能系統的冗余，功能結構一體化，諸如防熱材料、微結構與結構構型融合，達到耐熱防熱的目的，可進一步實現減重。典型防熱承載一體化結構如圖 2 所示。
2、激光加工技術在鈦合金航空結構件制造中的應用現狀
2.1 激光焊接技術
激光焊接在航空結構件制造的優勢主要有兩點［4-5］：首先，焊接代替傳統鉚接，節省了大量鉚釘，能有效實現減重；其次，整體焊縫的強度優于多個鉚釘連接的強度。如圖 3 所示，鈦合金焊縫及其熱影響區的強度均大于母材，整體焊縫的強度非常優秀，能夠有效增長機體疲勞壽命。
目前應用最為廣泛和成熟的是T型接頭雙光束激光焊技術，該技術最早由空客于 2000 年應用于A318 系列飛機的下機身蒙皮焊接（見圖 4），被公認為近十年大型客機制造領域的一次技術革命，改變了焊接技術不適用于飛機制造的傳統觀念。國內針對TC4 鈦合金和TA15 鈦合金激光焊接已進行了系統的研究［6-10］，激光焊接已經應用于我國某些型號飛機的鈦合金腹鰭制造、鈦合金蒙皮拼焊、壁板與長桁T型接頭焊接等，配套制造設備也較為成熟。
圖 5 為中國商飛雙光束同步焊接設備，用于國產某客機制造。此外，北京航空制造工程研究所已將激光焊接技術應用于發動機鈦合金承力構件制造。
在鈦合金承力結構件上，激光焊接技術即將開展深入應用，特別是鈦合金原位激光焊接。原位焊接技術屬于近凈成形技術領域，是指零件成型后，僅需少量加工或不再加工，就可作為機械構件的成型技術。原位焊接技術是美國首次在 F-22 戰機上提出并應用的，利用高能束流對裝配體實施焊接，焊接后無需進行二次機械加工，實現了飛機骨架零件原位焊接工藝與裝配技術的協調統一，代替傳統鉚接，大幅減重并縮短部件制造周期。F-22 在研發階段，受制于當時激光功率，鈦合金后機身大量采用電子束焊接。先由 3~4 個片段縱向焊接組成盒狀段，再由盒裝段焊接成框，最后焊接為整體艙段，如圖 6 所示，鈦合金焊縫總長度約 9m，質量相比于機械連接減少 182 kg［11］。目前，原位焊接技術在國內
航空制造領域尚無工程應用，鈦合金結構件的原位激光焊接的應用將是未來極具價值的研究方向。
未來，激光焊接在航空結構件制造領域的發展趨勢，是焊接更為復雜的機體結構和新材料，進一步實現機體減重增壽。此外，航空結構件自身價值較高，保證加工質量至關重要，由此帶來的挑戰主要有以下幾個方面：
（1）激光焊接頭可達性拓展。
復雜鈦合金機體框架結構的定位和夾持工裝相互交錯，對激光焊接頭的可達性造成極大干擾。
一方面，需要合理規劃焊接路徑，優化工裝設計，保持操作空間的最大開敞性。另一方面，需要開展專用焊接頭的研發，具備小型化、遠距焊接、末端位姿可調等要素。
（2）變形控制。
變形控制包括焊接變形控制和熱處理變形控制。需進一步開展焊接對象焊接工藝試驗，完成最佳的焊接策略匹配，實現焊接變形控制最優解的同時保證焊接可靠性。需要進一步開展熱處理變形機理研究，設計出合理的保形工裝和熱處理策略來實現復雜部件的熱處理變形控制。此外，還需要探索新型的熱處理方式，諸如超聲沖擊、激光沖擊等特種工藝來消除焊接應力。
（3）新材料焊接。
針對未來超高速飛行器對耐溫材料的需求，需進一步開展高溫鈦合金和熱塑性復合材料的激光焊接工藝研究，并進行力學性能和疲勞性能考核，為后續新材料工程化應用提供支撐。
2.2 激光增材制造技術
激光選區熔化（Selective LaserMelting，SLM）、激光直接沉積（Laser MeltingDeposition，LMD）是目前主要的鈦合金激光增材制造工藝［12］。航空結構件具有多品種、小批量的特點，結構越復雜，增材制造的成本和效率優勢相比傳統制造方法就越明顯。
SLM技術分層層厚較小（30~60 μm），可直接快速成型終端金屬產品，尺寸精度高，表面質量好，可實現任意復雜零部件的高效致密成形，特別適合內部有復雜異形結構且用傳統方法無法制造的復雜零部件。
通用電氣公司專注于增材制造以降低其發動機制造成本，采用SLM技術已完成大量零部件的批量制造。圖 7 為航空發動機燃油噴嘴，將 20個零件集成為 1 個部件進行打印，減重 25%，已實現數萬個部件的批量制造。此外，空客通過基于有限元分析的結構優化應用于現有零部件的再設計，采用SLM技術實現了大幅減重，如圖8所示。
未來軍機將具有超高速飛行的特征，熱防護技術是未來飛機結構件的關鍵技術之一，防熱承載結構具有多孔、點陣等特征，且內部需要微流道完成主動散熱，此類結構傳統工藝無法完成加工。通用航空公司設計的內置流道的航空發動機葉片如圖 9所示，飛機用金屬多功能點陣結構如圖 10 所示，可實現結構承載、防熱、隱身等功能的融合。此類結構傳統工藝無法完成加工，SLM技術恰好能夠滿足相關制造需求。
鈦合金防熱承載一體化結構的激光選區熔化成型應用將是未來極具價值的研究方向。
在 SLM 設備制造領域，以美國 Optomec、德國EOS、西安鉑力特、南京中科煜宸等為代表的多家單位均已研發出工業級 SLM 設備，國內外典型 SLM設備主要特性如表2所示。
其中，西安鉑力特增材技術股份有限公司于2022 年 5 月 推出了 12 激 光 SLM 3D 打 印機 BLT-S1000，目前處于國內領先水平，如圖 11 所示。其成型尺寸可達1200 mm×600 mm×1 500 mm，可實現大尺寸復雜結構件的一體成型，最大成型速率可達300 cm3/h。提升鋪粉設備的加工效率仍將是未來極具價值的研究方向。
激光直接沉積技術（LMD）具有材料利用率高、機加工量小、制造周期短的特點，同軸送粉的工藝特點決定其成形尺寸不受限制，可以實現同一構件上多材料的復合和梯度制造，適用于大型結構件或者結構不是特別復雜的功能性零件的加工制造。
LMD技術在國內外航空航天領域得到了廣泛的應用，例如波音公司、空客公司、洛克希德馬丁公司、GE航空等世界著名的航空公司都在大力發展各自的激光直接沉積技術［13］。北京航空航天大學研制的某大型激光直接沉積金屬增材制造設備如圖 12所示，可為中國商用飛機、軍機項目制造大型復雜部件，包括鈦機身骨架及高強度起落架。北航王華明教授團隊研制了主承力飛機鈦合金加強框等關鍵構件，實現了在包括C919 大型客機在內的多種型號飛機上的裝機應用。北航應用LMD技術制造出了飛機大型鈦合金主承力構件，如圖 13 所示。西北工業大學采用LMD技術成功試制了C919 機翼肋構件，如圖14所示。
在LMD設備制造領域，以美國 EFESTO、德國EOS、西安鉑力特、南京中科煜宸、鑫精合激光等為代表的多家企業均已研發出工業級LMD設備，國內外典型LMD設備主要參數如表3所示。
南京中科煜宸研發的大型智能化雙光束裝備性能指標達到國際先進、國內領先的水平，如圖 15所示，是國際上首次提出采用雙萬瓦級激光同步送粉打印技術，沉積速度可達 700 cm3/h，設備剛性成型尺寸可達 4 m×3.5 m×3
m，柔性成型尺寸達 13 m×3.5 m×3 m，加工能力覆蓋了目前航空鈦合金主承力結構件的所有門類，滿足未來型號及特殊構件制造需求。此外，航空工業成飛集團也研制了大型LMD同軸送粉設備，并實現了飛機增材制造工程化應用。降低設備加工使用成本將是LMD設備未來的研究方向。大型構件的應力控制和變形開裂是LMD技術面臨的關鍵難題。
激光增材制造在航空結構件制造領域的未來發展趨勢，將是進一步拓寬應用面，提高零部件力學性能，加工對象將由機體非承力件和次承力件向主承力件進一步拓展。同時，進一步提升加工工藝成熟度，降低加工成本，更有助于該技術的工程化應用。由此帶來的挑戰主要有以下幾個方面：
（1）提升正向設計能力。
目前，增材制造技術主要還是對傳統鑄造、鍛造技術的替代，沒有完全發揮其高設計自由度的優勢，需要進一步提升結構件設計能力，在設計中融合增材的思想，通過正向設計的理念，從源頭上實現結構設計上的顛覆性創新。
（2）提高零件力學性能。
激光增材制造的關鍵要求之一是獲得所需的力學性能，需要進一步優化打印工藝，減少變形，避免開裂，提高力學性能。一方面，需要開展大量的基礎性試驗，建立工藝數據庫；另一方面，需要開發可靠的預測性過程模型，諸如過程熱模型、微結構預測模型和力學性能預測模型等，提升加工過程的可靠性。
（3）健全基礎性能數據體系。
作為一項正在迅速發展的高新技術，增材制造在原材料、工藝、后處理、組織性能數據庫等方面的數據儲備還不充足，需要業界共同努力，健全激光增材制造金屬材料的基礎性能數據體系，共同開發出增材制造粉末原材料、工藝過程等規范。
3、激光加工設備在鈦合金航空結構件制造的應用展望
伴隨著鈦合金激光加工技術在我國航空結構件制造中的應用越來越廣泛，鈦合金激光加工成套設備同樣面臨著壓力與挑戰，需要進一步完善和發展，提升激光加工設備競爭力。
3.1 成套系統多功能化
高效低成本制造、近凈成形將是未來鈦合金航空結構件制造發展方向。航空工業屬于典型的離散制造，現行的工藝以及加工設備大多僅具備單一的加工功能，零件在不同的工藝節點周轉，降低了加工效率。單個離散點多功能化，簡化工藝流程，需要未來的高端激光制造集成系統向多功能化發展，將激光制造精細、直接近凈成形的優點與傳統制造技術結合起來，形成最佳的制造策略，諸如增材、焊接、減材、在線測量一體化的自動設備。同時，研發面向原位自適應制造的專用新設備，諸如在線焊接變形測量和分析設備、在線焊接氣孔檢測設備、原位去應力設備，可有效減少后續加工及檢測工序。
3.2 加工過程智能化
智能化的激光加工系統將有效提高加工效率，保證加工質量，降低對操作人員的要求。將智能傳感器、數字總線技術等智能部件融入激光加工設備，通過對生產全過程實時在線檢測、閉環過程控制來確保激光加工的加工質量、一致性和再現性。
諸如基于視覺測量、激光測量的智能末端，完成部件裝配的間隙與階差的自動測量，確保裝配狀態，代替現有人工測量；高精度的遠距窄焊縫的焊縫跟蹤末端，滿足航空結構件形狀復雜、夾具復雜、焊接末端可達性較差的特殊焊接場景需求；具備高溫加工全過程監測并結合 AI 深度學習功能的熔池監測設備，實現過程中的關鍵工藝參數和在線實時監測、反饋閉環控制；另外，構建激光加工知識工程，形成激光加工設備技術管控平臺，也能有效提升激光加工的可靠性及智能化程度。
3.3 配套系統高效化
鈦合金在高溫下非常活躍，在 300 ℃以上極易與氫反應，600 ℃以上極易與氧反應，700 ℃以上極易與氮反應，須施加氬氣保護，高質量的氣體保護措施能有效保障鈦合金加工質量，提升零部件制造合格率并降低加工成本。對于傳統保護夾具吹氣的方式，需注重其保護的可靠性，同時需降低對光束可達性的影響；對于整體密封保護的方式，需進一步提高箱體密封性，優化惰性氣體置換和凈化過程氣流組織，降低惰性氣氛建立時間，提高加工效率。
3.4 核心部件自主化
經過多年的不懈努力，我國激光制造設備已實現“從無到有”，目前正處于“從有到好”的階段。但部分高端核心部件目前仍然處于受制于人的局面，急需研發高功率、高可靠性的國產激光器，并針對性地改善功率衰減過快的缺點。研發高功率、高精度、高可靠性國產激光焊接頭/打印頭，在線熔池監測裝置等核心部件，提升高端激光成套制造設備的
自主化程度。
4 、結論
以航空結構件制造為背景，介紹了航空結構件制造面臨的挑戰與發展趨勢，綜述了激光加工技術在鈦合金航空結構件制造中的應用現狀，并對鈦合金激光加工成套設備的未來發展方向提出了相關建議。
（1）分析了軍機結構件制造面臨的挑戰和發展方向。
（2）介紹了激光焊接技術、激光增材制造技術在飛機結構件制造中的應用現狀及前景，對激光技術在軍機結構件制造的應用具有指導價值。
（3）基于未來軍機快速、高效、低成本制造的考慮，對未來鈦合金激光加工成套設備技術的發展，提供了方向和發展建議。
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