前言

激光加工手艺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饰演着越来越主要的角色。。。。。特殊是在钛合金加工领域，，，，，，，，2000年以后，，，，，，，，随着高功率激光器品质的一直提升，，，，，，，，激光焊接与激光增材制造的应用越发普遍。。。。。本文在研究海内外激光加工手艺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举行总结剖析。。。。。随着航空结构件向大型整体化、构型拓扑化、结构功效一体化的一直生长，，，，，，，，未来激光加工手艺在钛合金结构件加工领域的应用场景将更为普遍，，，，，，，，同时也对未来钛合金激光加工成套装备也提出了更高要求，，，，，，，，不受制于人的高端激光成套制造装备将是钛合金航空结构件加工焦点竞争力。。。。。

1、军机结构件制造面临的挑战及生长趋势

1.1 各代军机结构需求及质料生长

一代军机，，，，，，，，一代质料［1］。。。。。第一代飞机主要知足高亚音速航行，，，，，，，，强调结构件的屈服强度、抗拉强度、塑性及攻击韧性，，，，，，，，主要使用钢骨架和木质质料；；；；；；第二代飞机主要知足高空高速、近距格斗需求，，，，，，，，强调要害部位的疲劳性能，，，，，，，，大宗使用铝合金和钢；；；；；；第三代飞机主要知足高亚声速无邪性需求，，，，，，，，要害部位的质料要求具有较高的损伤容限性能，，，，，，，，要求质料具有

较低的裂纹扩展速率和断裂韧度，，，，，，，，需要应用大宗轻质高性能质料，，，，，，，，在铝合金和钢的基础上，，，，，，，，增添了钛合金与复合质料的使用；；；；；；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，，，，，，，，主要质料与三代机相近，，，，，，，，但钛合金与复合质料占比更大；；；；；；第五代飞机需要具备高智能、高协同、高速航行的特征，，，，，，，，对结构强度要求更高，，，，，，，，还需应用大宗热防护质料和耐高温合金。。。。。

1.2 军机结构件制造面临的挑战

1.2.1 减重增寿

机体结构是决议军机性能指标要害要素之一，，，，，，，，半个世纪以来，，，，，，，，结构手艺一直在生长，，，，，，，，结构形式已趋于“经典”［2］。。。。。如表1 所示，，，，，，，，外洋各代战机机体结构重量占全机重量百分比一直降低，，，，，，，，机体疲劳寿命需求在一直增添。。。。。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 架四代飞机举行抗疲劳结构刷新。。。。。减重增寿仍然是军机结构件制造面临的主要挑战。。。。。

1.2.2 低本钱、快速制造

快速制造和低本钱制造是战机工业化生产的焦点。。。。。现有的结构件制造工艺，，，，，，，，质料使用率极低，，，，，，，，部分结构零件质料去除率达90%以上；；；；；；重大结构件加工工序多，，，，，，，，生产周期长。。。。。简化制造工艺，，，，，，，，提升加工效率，，，，，，，，提高原质料使用率，，，，，，，，既知足国家“双碳”生长新形势的需求，，，，，，，，也切合航空制造业的基础利益。。。。。

1.3 军机结构件制造生长趋势

1.3.1 结构大型化、整体化

现在的机体结构接纳以小拼大的方法通过毗连件完成毗连［3］，，，，，，，，该方法直接导致了机体结构超重，，，，，，，，疲劳薄弱环节多，，，，，，，，开裂频发。。。。。关于飞机结构件，，，，，，，，将古板装配结构举行一体化设计并完成制造，，，，，，，，既镌汰了却构件和毗连件的数目，，，，，，，，又能有用消除疏散面，，，，，，，，镌汰冗余结构，，，，，，，，减缓应力集中，，，，，，，，镌汰疲劳薄弱环节。。。。。

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，，，，，，，，力学薄弱环节预计镌汰30%以上，，，，，，，，有用提升机体寿命。。。。。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

用仿生拓扑构型取代古板的纵横加筋板构型，，，，，，，，质料凭证传力路径和功效需求结构，，，，，，，，能将质料安排到最优传力路径，，，，，，，，实现“无冗余”设计，，，，，，，，进一步优化了却构设计，，，，，，，，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%。。。。。

1.3.3 结构功效一体化

现在，，，，，，，，军机的结构系统与功效系统是自力的，，，，，，，，未来的军时机将功效系统融入结构中，，，，，，，，作废功效系统的冗余，，，，，，，，功效结构一体化，，，，，，，，诸如防热质料、微结构与结构构型融合，，，，，，，，抵达耐热防热的目的，，，，，，，，可进一步实现减重。。。。。典范防热承载一体化结构如图2 所示。。。。。

2、激光加工手艺在钛合金航空结构件制造中的应用现状

2.1 激光焊接手艺

激光焊接在航空结构件制造的优势主要有两点［4-5］：首先，，，，，，，，焊接取代古板铆接，，，，，，，，节约了大宗铆钉，，，，，，，，能有用实现减重；；；；；；其次，，，，，，，，整体焊缝的强度优于多个铆钉毗连的强度。。。。。如图3 所示，，，，，，，，钛合金焊缝及其热影响区的强度均大于母材，，，，，，，，整体焊缝的强度很是优异，，，，，，，，能够有用增添机体疲劳寿命。。。。。

现在应用最为普遍和成熟的是T型讨论双光束激光焊手艺，，，，，，，，该手艺最早由空客于2000 年应用于A318 系列飞机的下机身蒙皮焊接（见图4），，，，，，，，被公以为近十年大型客机制造领域的一次手艺革命，，，，，，，，改变了焊接手艺不适用于飞机制造的古板看法。。。。。海内针对TC4 钛合金和TA15 钛合金激光焊接已举行了系统的研究［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型讨论焊接等，，，，，，，，配套制造装备也较为成熟。。。。。

图5 为中国商飞双光束同步焊接装备，，，，，，，，用于国产某客机制造。。。。。别的，，，，，，，，北京航空制造工程研究所已将激光焊接手艺应用于发念头钛合金承力构件制造。。。。。

在钛合金承力结构件上，，，，，，，，激光焊接手艺即将开展深入应用，，，，，，，，特殊是钛合金原位激光焊接。。。。。原位焊接手艺属于近净成形手艺领域，，，，，，，，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手艺。。。。。原位焊接手艺是美国首次在F-22 战机上提出并应用的，，，，，，，，使用高能束流对装配体实验焊接，，，，，，，，焊接后无需举行二次机械加工，，，，，，，，实现了飞机骨架零件原位焊接工艺与装配手艺的协调统一，，，，，，，，取代古板铆接，，，，，，，，大幅减重并缩短部件制造周期。。。。。F-22 在研发阶段，，，，，，，，受制于其时激光功率，，，，，，，，钛合金后机身大宗接纳电子束焊接。。。。。先由3~4 个片断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9m，，，，，，，，质量相比于机械毗连镌汰182 kg［11］。。。。。现在，，，，，，，，原位焊接手艺在海内

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偏向。。。。。

未来，，，，，，，，激光焊接在航空结构件制造领域的生长趋势，，，，，，，，是焊接更为重大的机体结构和新质料，，，，，，，，进一步实现机体减重增寿。。。。。别的，，，，，，，，航空结构件自身价值较高，，，，，，，，包管加工质量至关主要，，，，，，，，由此带来的挑战主要有以下几个方面：

（1）激光焊讨论可达性拓展。。。。。

重大钛合金机体框架结构的定位和夹持工装相互交织，，，，，，，，对激光焊讨论的可达性造成极大滋扰。。。。。

一方面，，，，，，，，需要合理妄想焊接路径，，，，，，，，优化工装设计，，，，，，，，坚持操作空间的最大开敞性。。。。。另一方面，，，，，，，，需要开展专用焊讨论的研发，，，，，，，，具备小型化、远距焊接、最后位姿可调等要素。。。。。

（2）变形控制。。。。。

变形控制包括焊接变形控制和热处置惩罚变形控制。。。。。需进一步开展焊接工具焊接工艺试验，，，，，，，，完成最佳的焊接战略匹配，，，，，，，，实现焊接变形控制最优解的同时包管焊接可靠性。。。。。需要进一步开展热处置惩罚变形机理研究，，，，，，，，设计出合理的保形工装和热处置惩罚战略来实现重大部件的热处置惩罚变形控制。。。。。别的，，，，，，，，还需要探索新型的热处置惩罚方法，，，，，，，，诸如超声攻击、激光攻击等特种工艺来消除焊接应力。。。。。

（3）新质料焊接。。。。。针对未来超高速航行器对耐温质料的需求，，，，，，，，需进一步开展高温钛合金和热塑性复合质料的激光焊接工艺研究，，，，，，，，并举行力学性能和疲劳性能审核，，，，，，，，为后续新质料工程化应用提供支持。。。。。

2.2 激光增材制造手艺

激光选区熔化（Selective Laser Melting，，，，，，，，SLM）、激光直接沉积（Laser Melting Deposition，，，，，，，，LMD）是现在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，，，，，，，，结构越重大，，，，，，，，增材制造的本钱和效率优势相比古板制造要领就越显着。。。。。

SLM手艺分层层厚较。。。。。30~60 μm），，，，，，，，可直接快速成型终端金属产品，，，，，，，，尺寸精度高，，，，，，，，外貌质量好，，，，，，，，可实现恣意重大零部件的高效致密成形，，，，，，，，特殊适合内部有重大异形结构且用古板要领无法制造的重大零部件。。。。。

通用电气公司专注于增材制造以降低其发念头制造本钱，，，，，，，，接纳SLM手艺已完成大宗零部件的批量制造。。。。。图7 为航空发念头燃油喷嘴，，，，，，，，将20 个零件集成为1 个部件举行打。。。。。，，，，，，减重25%，，，，，，，，已实现数万个部件的批量制造。。。。。别的，，，，，，，，空客通过基于有限元剖析的结构优化应用于现有零部件的再设计，，，，，，，，接纳SLM手艺实现了大幅减重，，，，，，，，如图8所示。。。。。

未来军机将具有超高速航行的特征，，，，，，，，热防护手艺是未来飞机结构件的要害手艺之一，，，，，，，，防热承载结构具有多孔、点阵等特征，，，，，，，，且内部需要微流道完成自动散热，，，，，，，，此类结构古板工艺无法完成加工。。。。。通用航空公司设计的内置流道的航空发念头叶片如图9所示，，，，，，，，飞机用金属多功效点阵结构如图10 所示，，，，，，，，可实现结构承载、防热、隐身等功效的融合。。。。。此类结构古板工艺无法完成加工，，，，，，，，SLM手艺恰恰能够知足相关制造需求。。。。。

钛合金防热承载一体化结构的激光选区熔化成型应用将是未来极具价值的研究偏向。。。。。

在SLM 装备制造领域，，，，，，，，以美国Optomec、德国EOS、西安铂力特、南京中科煜宸等为代表的多家单位均已研发出工业级SLM 装备，，，，，，，，海内外典范SLM装备主要特征如表2所示。。。。。

其中，，，，，，，，西安铂力特增材手艺股份有限公司于2022 年5 月推出了12 激光SLM 3D 打印机BLTS1000，，，，，，，，现在处于海内领先水平，，，，，，，，如图11 所示。。。。。其成型尺寸可达1 200 mm×600 mm×1 500 mm，，，，，，，，可实现大尺寸重大结构件的一体成型，，，，，，，，最大成型速率可达300 cm3/h。。。。。提升铺粉装备的加工效率仍将是未来极具价值的研究偏向。。。。。

激光直接沉积手艺（LMD）具有质料使用率高、机加工量小、制造周期短的特点，，，，，，，，同轴送粉的工艺特点决议其成形尺寸不受限制，，，，，，，，可以实现统一构件上多质料的复合和梯度制造，，，，，，，，适用于大型结构件或者结构不是特殊重大的功效性零件的加工制造。。。。。

LMD手艺在海内外航空航天领域获得了普遍的应用，，，，，，，，例如波音公司、空客公司、洛克希德马丁公司、GE航空等天下著名的航空公司都在鼎力大举生长各自的激光直接沉积手艺［13］。。。。。北京航空航天大学研制的某大型激光直接沉积金属增材制造装备如图12所示，，，，，，，，可为中国商用飞机、军机项目制造大型重大部件，，，，，，，，包括钛机身骨架及高强度升降架。。。。。北航王华明教授团队研制了主承力飞机钛合金增强框等要害构件，，，，，，，，实现了在包括C919 大型客机在内的多种型号飞机上的装机应用。。。。。北航应用LMD手艺制造出了飞机大型钛合金主承力构件，，，，，，，，如图13 所示。。。。。西北工业大学接纳LMD手艺乐成试制了C919 机翼肋构件，，，，，，，，如图14所示。。。。。

在LMD装备制造领域，，，，，，，，以美国EFESTO、德国EOS、西安铂力特、南京中科煜宸、鑫精合激光等为代表的多家企业均已研发出工业级LMD装备，，，，，，，，海内外典范LMD装备主要参数如表3所示。。。。。

南京中科煜宸研发的大型智能化双光束装备性能指标抵达国际先进、海内领先的水平，，，，，，，，如图15所示，，，，，，，，是国际上首次提出接纳双万瓦级激光同步送粉打印手艺，，，，，，，，沉积速率可达700 cm3/h，，，，，，，，装备刚性成型尺寸可达4 m×3.5 m×3 m，，，，，，，，柔性成型尺寸达13 m×3.5 m×3 m，，，，，，，，加工能力笼罩了现在航空钛合金主承力结构件的所有门类，，，，，，，，知足未来型号及特殊构件制造需求。。。。。别的，，，，，，，，航空工业成飞集团也研制了大型LMD同轴送粉装备，，，，，，，，并实现了飞机增材制造工程化应用。。。。。降低装备加工使用本钱将是LMD装备未来的研究偏向。。。。。大型构件的应力控制和变形开裂是LMD手艺面临的要害难题。。。。。

激光增材制造在航空结构件制造领域的未来生长趋势，，，，，，，，将是进一步拓宽应用面，，，，，，，，提高零部件力学性能，，，，，，，，加工工具将由机体非承力件和次承力件向主承力件进一步拓展。。。。。同时，，，，，，，，进一步提升加工工艺成熟度，，，，，，，，降低加工本钱，，，，，，，，更有助于该手艺的工程化应用。。。。。由此带来的挑战主要有以下几个方面：

（1）提升正向设计能力。。。。。

现在，，，，，，，，增材制造手艺主要照旧对古板铸造、铸造手艺的替换，，，，，，，，没有完全施展其高设计自由度的优势，，，，，，，，需要进一步提升结构件设计能力，，，，，，，，在设计中融合增材的头脑，，，，，，，，通过正向设计的理念，，，，，，，，从源头上实现结构设计上的倾覆性立异。。。。。

（2）提高零件力学性能。。。。。

激光增材制造的要害要求之一是获得所需的力学性能，，，，，，，，需要进一步优化打印工艺，，，，，，，，镌汰变形，，，，，，，，阻止开裂，，，，，，，，提高力学性能。。。。。一方面，，，，，，，，需要开展大宗的基础性试验，，，，，，，，建设工艺数据库；；；；；；另一方面，，，，，，，，需要开发可靠的展望性历程模子，，，，，，，，诸如历程热模子、微结构展望模子和力学性能展望模子等，，，，，，，，提升加工历程的可靠性。。。。。

（3）健全基础性能数据系统。。。。。

作为一项正在迅速生长的高新手艺，，，，，，，，增材制造在原质料、工艺、后处置惩罚、组织性能数据库等方面的数据储备还不富足，，，，，，，，需要业界配合起劲，，，，，，，，健全激光增材制造金属质料的基础性能数据系统，，，，，，，，配合开发出增材制造粉末原质料、工艺历程等规范。。。。。

3、激光加工装备在钛合金航空结构件制造的应用展望

陪同着钛合金激光加工手艺在我国航空结构件制造中的应用越来越普遍，，，，，，，，钛合金激光加工成套装备同样面临着压力与挑战，，，，，，，，需要进一步完善和生长，，，，，，，，提升激光加工装备竞争力。。。。。

3.1 成套系统多功效化

高效低本钱制造、近净成形将是未来钛合金航空结构件制造生长偏向。。。。。航空工业属于典范的离散制造，，，，，，，，现行的工艺以及加工装备大多仅具备简单的加工功效，，，，，，，，零件在差别的工艺节点周转，，，，，，，，降低了加工效率。。。。。单个离散点多功效化，，，，，，，，简化工艺流程，，，，，，，，需要未来的高端激光制造集成系统向多功效化生长，，，，，，，，将激光制造细腻、直靠近净成形的优点与古板制造手艺团结起来，，，，，，，，形成最佳的制造战略，，，，，，，，诸如增材、焊接、减材、在线丈量一体化的自动装备。。。。。同时，，，，，，，，研发面向原位自顺应制造的专用新装备，，，，，，，，诸如在线焊接变形丈量和剖析装备、在线焊接气孔检测装备、原位去应力装备，，，，，，，，可有用镌汰后续加工及检测工序。。。。。

3.2 加工历程智能化

智能化的激光加工系统将有用提高加工效率，，，，，，，，包管加工质量，，，，，，，，降低对操作职员的要求。。。。。将智能传感器、数字总线手艺等智能部件融入激光加工装备，，，，，，，，通过对生产全历程实时在线检测、闭环历程控制来确保激光加工的加工质量、一致性和再现性。。。。。

诸如基于视觉丈量、激光丈量的智能最后，，，，，，，，完成部件装配的间隙与阶差的自动丈量，，，，，，，，确保装配状态，，，，，，，，取代现有人工丈量；；；；；；高精度的远距窄焊缝的焊缝跟踪最后，，，，，，，，知足航空结构件形状重大、夹具重大、焊接最后可达性较差的特殊焊接场景需求；；；；；；具备高温加工全历程监测并团结AI 深度学习功效的熔池监测装备，，，，，，，，实现历程中的要害工艺参数和在线实时监测、反响闭环控制；；；；；；另外，，，，，，，，构建激光加工知识工程，，，，，，，，形成激光加工装备手艺管控平台，，，，，，，，也能有用提升激光加工的可靠性及智能化水平。。。。。

3.3 配套系统高效化

钛合金在高温下很是；；；；；钤荆，，，，，，在300 ℃以上极易与氢反应，，，，，，，，600 ℃以上极易与氧反应，，，，，，，，700 ℃以上极易与氮反应，，，，，，，，须施加氩气保；；；；；ぃ，，，，，，高质量的气体保；；；；；げ椒ツ苡杏冒茴押辖鸺庸ぶ柿浚，，，，，，提升零部件制造及格率并降低加工本钱。。。。。关于古板保；；；；；ぜ芯叽灯姆椒ǎ，，，，，，需注重其保；；；；；さ目煽啃裕，，，，，，同时需降低对光束可达性的影响；；；；；；关于整体密封保；；；；；さ姆椒ǎ，，，，，，需进一步提高箱体密封性，，，，，，，，优化惰性气体置换和净化历程气流组织，，，，，，，，降低惰性气氛建设时间，，，，，，，，提高加工效率。。。。。

3.4 焦点部件自主化

经由多年的不懈起劲，，，，，，，，我国激光制造装备已实现“从无到有”，，，，，，，，现在正处于“从有到好”的阶段。。。。。但部分高端焦点部件现在仍然处于受制于人的时势，，，，，，，，急需研发高功率、高可靠性的国产激光器，，，，，，，，并针对性地改善功率衰减过快的弱点。。。。。研发高功率、高精度、高可靠性国产激光焊讨论/打印头，，，，，，，，在线熔池监测装置等焦点部件，，，，，，，，提升高端激光成套制造装备的 自主化水平。。。。。

4、结论

以航空结构件制造为配景，，，，，，，，先容了航空结构件制造面临的挑战与生长趋势，，，，，，，，综述了激光加工手艺在钛合金航空结构件制造中的应用现状，，，，，，，，并对钛合金激光加工成套装备的未来生长偏向提出了相关建议。。。。。

（1）剖析了军机结构件制造面临的挑战和生长偏向。。。。。

（2）先容了激光焊接手艺、激光增材制造手艺在飞机结构件制造中的应用现状及远景，，，，，，，，对激光手艺在军机结构件制造的应用具有指导价值。。。。。

（3）基于未来军机快速、高效、低本钱制造的思量，，，，，，，，对未来钛合金激光加工成套装备手艺的生长，，，，，，，，提供了偏向和生长建议。。。。。

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