激光技术在航空装备保障中的应用与发展

在未来的战争中，高技术武器装备起着决定战争胜负的作用，航空装备作为空中作战的物质基础，如何适应现代战争的要求，是我们必须要解决的重要课题。结合航空装备的特点，分析了激光技术在航空装备保障过程中的应用现状，并探讨了其发展趋势。

随着航空设计和制造技术的进步，新型结构、新材料和新工艺在航空装备制造过程中被大量采用，航卒装备保障面临前所未有的挑战。激光技术以其具有良好的李间控制性和时间控制性，以及特别适合加工高硬度、高熔点或高脆性的材料等特点，受到各个国家的广泛重视。以美国、德国、日本为代表的发达国家向该领域投入了大量的资金和资源，激光技术迅猛发展，已经在信息领域、制造业(电子、半导体、机械、汽车、飞机等制造行业)、军事领域、智能化识别及医疗仪器等领域广泛应用。如美国将激光技术应用于航李装备制造领域，提高航空装备质量的同时，缩短了生产周期，节省了大量的资金，其下一步研究方向已经转入航空装备维修领域。激光技术将在所有制造领域内取代传统的机械制造，在航空装备保障领域发挥核心作用。

1 激光技术

1.1 激光技术的起源及发展现状

20世纪50年代美国科学家汤斯(Townes)及前苏联科学家普罗克霍洛夫(Prokhomv)等人分别独立发明了一种低噪声微波放大器，即一种在微波波段的受激辐射放大器(Micmwave amplification by stimulated emission of radiation)，并以其英文的第—个字母缩写命名为Masero 1958年美国科学家汤斯(Townes)和肖洛(Schawlow)提出在一定的条件下，可将这种微波受激辐射放大器的原理推广到光波波段，制成受激辐射光放大器(Light amplication by stimulate emission of radiation)，缩写为Laser。1960年7月美国的梅曼(Maiman)宣布制成了第一台红宝石激光器(Ruby Laser)。

目前，世界激光器市场可以划分为三大区域：美国(包括北美)占55％，欧洲占22％，日本及太平洋地区占23％。在世界激光市场上，日本在显示器、光存储、光通讯及硬拷贝等方面首屈一指，美国占第二位；在激光医疗及激光检测方面则是美国领先；而在激光材料加工设备方面，德国做得最好。

我国的第一台红宝石激光器于1961年诞生于长春光机所，仅落后美国的贝尔实验室一年。经过几十年的努力，我国在激光器和激光应用技术研究领域取得了许多成就，我国研制的激光器的功率已经达到并超过了万瓦级，但是在激光器的实际应用方面与国际先进水平相比还存在很大差距，主要是由于激光光束质量的问题，使得目前用于激光制造的大功率激光器只能依赖进口回。据统计，国内目前从事激光器及激光应用设备生产的单位约500家，其中生产激光音像设备的就有380多家，其他激光设备的有150多家，国家级的激光工程技术研究中心有四个，各种类型的激光加工站有120多家。

1.2 激光制造技术与激光焊接技术

随着激光技术、计算机技术、CAD，CAM技术以及机械工程技术的发展，特别是激光快速原型技术的发展，快捷地生产出合格的零部件已经成为可能。激光快速原型技术(RP-Rapid Prototyping Technology)是二十世纪八十年代后期兴起的一项高新技术，它通过材料添加方式快速将CAD模型商接转换成实体模型，而不需要传统的模具、工具或其他的人工干涉，它集成了机械工程、CAD，CAM、数控技术、激光技术及材料科学等领域的最新成果，可以自动而迅速的将设计思想转化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品进行快速评价、修改。以下简要介绍两种先进的激光制造技术。

激光涂覆(熔覆)制造技术：激光涂覆是利用一定功率密度的激光束照射被覆金属表层上的具有某种特殊性能的材料，使之完全熔化，而基体金属微熔，冷凝后在基材表面形成一个低稀释度的包覆层，从而达到使基材改性的目的。目前。激光涂覆技术已经进入工业应用阶段，如已将激光熔覆直接制造技术应用于航空航天重要零件以及新型武器装备中的高性能特种零件的局部制造与修复例；激光涂覆快速制造技术：是近年来在激光熔覆技术和快速原型技术的基础上发展起来的一种新技术。首先，由CAD产生零件模型，并用分层切片软件对其进行处理，获得各截面形状的信息参数，作为工作台进行移动的轨迹参数。工作台在计算机的控制下，根据几何形体各层截面的坐标数据进行移动的同时，用激光涂覆的方法将材料进行逐层堆积，最终形成具有一定外形的三维实体零件。

激光焊接技术也是激光技术应用的重要方面之一。激光焊接是将高强度的激光辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，随着高功率CO2和高功率YAG激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功，其在机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学、微电子行业等领域的应用越来越广。

2 航空装备保障

当前，一场全球性的新军事变革正受到军界的普遍重视，有人把这场新军事变革概括为“三新两变”，即：研究新作战思想，研发新武器装备，建立新编制体制以及从根本上改变作战形态和作战方式。这场新军事变革正在对未来航空装备发展产生深刻的影响，作为空中作战物质基础的航空装备，必须顺应新军事变革的潮流，将航空装备保障的思想贯穿于研究、制造、使用、维护保养的全过程，应用先进技术不断提高航空装备的性能和质量，时刻保证航空装备处于完好状态，为打赢未来高技术条件下的局部战争提供物质保障。#p#

人类文明进步的历史是与科学技术的发展与进步紧密联系在一起的，许多先进制造技术和工艺、先进材料往往是在航空装备上首先得到应用。激光用于直接制造最初是美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室的科学家基于核武器关键零部件的快速制造提出的，加快了激光技术向航空装备领域应用的步伐，如美国宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室、约翰霍普金斯大学应用物理实验室和MTS系统公司合作，在美国海军和陆军资助下，专门研究用大功率CO2激光直接制造钛合金飞机大型结构件。

美国政府对激光直接制造技术非常重视，从许多不同的渠道给予了大量资助，据统计，前后共投入2000万美元的研发基金。MTS公司属下AeroMat公司已采用激光直接制造F/A-18E/F战斗机钛合金机翼件，结果可使生产周期降低75％，生产成本节约20％，生产400架飞机即可节约5000万美元。洛克希德·马丁公司也在其军用飞机制造厂安装了激光直接制造设备，以前几个月的工作量现在可以在两周内完成，可将传统方法由几百个零部件组成的结构改成单件结构，从而改善了结构完整性，减轻了重量。对于某些零件或结构件，如果采用传统方法制造，仅生产专用加工工具就需要1年时间，钛合金板材订货需要一年半，而采用激光直接制造只需几十个小时。M.Gaumann等利用激光外延生长技术(E-LMF)成功地制造出了航空航天发动机用的耐高温镍基超合金单晶叶片，该技术同时可用于单晶叶片的修复，修复后的叶片保持完好的单晶性能，而且取向与原叶片部分完全一致。

航空装备维修与其他行业相比，对工艺技术要求更高，特别是在维修质量和安全可靠性方面。多年来。传统的航空维修广泛采用TIG和MIG焊接技术.特别是航空时片的维修，但是依然存在许多实际问题。

例如，对需要维修的叶片有很多限制和要求，有许多叶片不能采用现有焊接技术维修，或者在维修过程中由于变形、开裂或热损伤而造成叶片报废，或者由于修复时强烈受热使性能降低导致叶片使用寿命缩短、可靠性下降。而国际著名的航空发动机制造公司和许多专业维修公司对航空叶片维修早已采用激光熔敷技术，如普惠、GE、罗-罗和MTU等公司。

将激光焊接技术应用于飞机结构损伤抢修，是激光焊接铝合金成为铝合金连接的一种重要手段，并在国际上有许多成功的例子。欧洲空中客车A340飞机的制造中，其全部铝合金内隔板均采用激光焊接，大大简化了飞机机身的制造工艺。在美国军方ManTech计划中，激光直接制造的研究重点已从制造转向维修，第二阶段研究的题目就是“坦克、舰船和飞机零部件的维修”，其中飞机零部件维修的参加单位有杰克逊维韦海军航空基地、切里角海军航空基地、罗-罗公司和洛克希德·马丁公司等。

3 激光技术在航空装备保障中的应用

随着激光技术的进一步发展和市场的不断扩大，激光制造技术将在所有制造领域内取代传统的机械制造。激光微制造技术使制造微精密元件成为可能，且视微系统朝着多样化和智能化方向发展。目前，激光直接制造技术已经趋于成熟，专用设备的功能和性能在不断提高和完善，激光直接制造各种材料的工艺技术也得到广泛和深入的研究，在航空、航天等领域得到应用，这为激光直接制造技术应用于装备维修奠定了基础。

激光焊接技术的不断成熟为航空装备维修和返场大修提供了新颖独特的解决方案，与普通激光熔覆相比，可以预先对维修区的尺寸形状进行检测和分析，对维修路径进行优化和设计，其焊接过程自动化、热应力小、无变形，能够维修呵焊性差的材料，如某些镍基高温合金、铝合金，从而可以获得更好的成形、表面质量和维修性能。该项技术可广泛用于各种航空材料，可以使维修更迅速和更可靠地完成。现代飞机制造中焊接技术的应用越来越多，高能柬流焊接技术工程应用趋于成熟。激光加工技术作为高能束的典型代表，最适合于钛合金零件的损伤修复。国外利用固体YAG激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平。日本白上个世纪九十年代以来，在电子行业的精密焊接方面已实现了从点焊向激光焊接的转变。

将激光制造技术应用于航空装备维修领域是完全可行的，因为维修与制造没有本质区别，维修可以看成是集中于表面和局部的制造过程。

国外激光直接制造技术已趋于成熟，商品化的激光直接制造设备已进入市场，其性能和功能也在不断完善，这为激光直接制造用于航空装备维修奠定了物质基础。美国军方对该项技术在航空维修中的作用和应用十分关注，美国国防部研究项目已证明了该项技术用于航空装备维修的必要性和可行性。而我国在将激光技术用于航空装备制造、维修方面才刚刚起步，激光制造技术还不够成熟，应加快激光技术的发展及其在航空维修领域的应用，同时应结合航窄装备质量保障的具体特点，开展预研和应用基础研究，为航宅装备制造和现场维修创造条件。

4 加快激光技术在航空装备中的应用

4.1 制定将激光技术应用于航空装备质量发展规划

我国对将激光技术应用于航空装备建设的重要性缺乏足够的重视，与德国、美国等发达国家形成鲜明对比。1998年美国国家研究理事会发布了哈里森计划，指出“光技术将改变整个世界”，加强学科交叉，使光技术成为一个综合性学科，增进了美国的经济、军事实力。我国有关部门应提高对将激光制造技术应用于航空装备的重要性的认识，为航空装备质量保障的发展提供技术支持。

4.2 加大政府对航空装备质量建设的资金支持

美国、德国等发达国家向开发激光技术投入了大量的资金、资源，例如德国在“LASER 2000”计划期间，基金就资助了2.9亿欧元(约合人民币26亿元)，平均每个项目约资助50万欧元。拥有高质量、高性能的航空装备，必须加快激光技术的发展应用，加大对航空装备建设的资金支持。

4.3 现代激光人才的培养

现代激光人才必须具有激光制造技术和激光制造系统的知识基层，并在相关方面具有深厚专业功底，并能针对现代激光制造中的问题开展基础理论的研究。要将激光技术应用于我国航空装备保障，首先必须加强对现代激光人才的培养。

4.4 加强激光技术的国际合作

德国、美国、日本等国在这一领域处于先进水平，他们有很多做法和经验值得我们学习借鉴。中德两国在激光加工领域内有长期合作交流的历史，通过交流学习，有利于加快我国激光技术的发展，有利于加快激光技术在我国航空装备保障中的应用。

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