驚艷|航天鋁板的激光切割工藝

西鋁—西鋁鋁產業電訊：在Igor Sikorsky開始他的航天生涯時，首先嘗試了垂直式飛行，并于1909年建立了飛機原型。 后來他認為，該階段的技術無法支持旋翼飛機的開發，因此他很快就改為研究固定翼飛行器。他在俄國的時候設計了許多成功的飛行器，后來移民美國，1925年在紐約州長島建立了Sikorsky Aircraft公司。Sikorsky是一名成功的航天先驅，他設計的是以陸地為基地、固定機翼的飛行器和飛行船。 二十世紀三十年代航空技術的發展給Sikorsky帶來機會，使他可以重新研究垂直式飛行。因為旋翼飛機必須具備簡潔的結構和輕型的引擎，這兩方面的要求終于可以在技術上得到實現。

1939年，他將航天技術上的知識應用到VS-300機型上，該系統是世界上首架實用的旋翼飛機。從那以后，該公司成為直升飛機的主要生產商，不僅生產軍用/商用飛機，也進行技術開發應用，其中包括了X2演示機型。 現在，重于空氣的直升機飛行已經成為可能，但是還需要大大降低機身的重量。在航天航空領域，對旋翼飛機的主要要求就是提高結構中每個零部件的效率。機身結構上的少許增加可能導致有效載荷的嚴重損失。載荷的損失和燃料承載能力的降低可能導致整體設計的失敗。 在旋翼飛機結構的設計中，輕型材料的使用十分重要，例如UH-60A黑鷹的設計.

鈦、鎂、鋁和更多的復合材料被廣泛用于旋翼飛機的制造中。鈦是Sikorsky旋轉器結構設計中的主要材料，而鎂是變速器結構的主要材料，鋁是機身零件的主要材料。

復合材料正更多的被用于葉片、旋翼頭零件和機身結構中。 旋轉器零部件和變速器的制造是采用大型金屬坯鍛造而成的。機身也包含了一些采用鍛造材料的零件，但是，機身零件絕大多數采用鋁板。

傳統上，使用7000系列鋅基鋁合金來進行加工，這是因為該合金具有良好的靜止力度和疲勞強度。雖然7000系列鋁材料很適合航空應用，但是它們不耐高溫?？焖偌訙?，如焊接和激光切割等操作，會導致微裂痕。微裂痕導致疲勞強度的降低。焊接和激光切割是兩種產生熱致微裂痕的加工。 激光切割的優勢在于能快速、準確的將鋁箔加工成不同的形狀，該技術優勢使得激光切割設備剛實現商業化就吸引了許多航空公司。

二十世紀七十年代，主要的制造商對激光切割技術進行了評估，他們發現，激光加工產生的微裂痕對零件的疲勞特性所產生損害是不允許的。潛在的增重損害了制造業的利益，就使得激光切割技術被主要的機身制造商們束之高閣。

 除了微裂痕的問題，人們還發現激光切割技術的參數很難控制，幾乎無法進行檢驗。在目前的國際制造業市場，對所有加工和特征參數的檢驗進行嚴格的控制日益重要，因為這些加工工作更多的被外包給外圍的供應商。 質量和加工控制是至關重要的。任何給加工帶來不確定因素的過程都必須加以控制或者直接排除。

以往，激光切割給不同生產批次之間的質量控制和一致性帶來了巨大的挑戰。 在目前的激光切割系統中，這些激光切割在航空應用中的局限性都得到改進，這些局限性包括疲勞性能和制造過程一致性降低的問題?，F在，激光系統在很大程度上減小了熱影響區域（HAZ）的大小和相應的微裂痕。

在激光切割過程中，技術人員已經可以對切割參數進行控制，并且利用計算機軟件進行精確的重復。這些技術進步使得人們對激光切割是否適用于機身結構的生產重新思考。機身結構主要是7000系列鋁材料制造而成。

激光切割  

疲勞斷裂通常發生在應力集中的地方，如零件的邊緣，幾何形狀變化處，或者接合處。薄板金屬制成的機身零件有很多不同的接合方式，絕大多數的疲勞裂痕發生在接合處。如果激光沒有被用于切割接合處的小孔，那么激光主要就用于零件的邊緣切割。

對于其他的效應，可以采用最易損壞的連接位置來說明與連接處相比，激光切割帶來的微裂痕并非主要的損壞部位。這樣，我們就能得出結論：如果一個零件有可能在連接處斷裂，那么激光切割技術不會進一步損壞零件的疲勞特性。

鉚合結構

Sikorsky Aircraft公司進行了一些測試，以研究激光切割邊緣與連接處小孔的疲勞特性之間的關系。在進行激光邊緣測試時，技術人員使用了工廠中典型的激光切割操作來加工7075-T6復合金屬板。技術人員在不同的應力級別對樣品進行了測試，R值保持在+0.1。選擇+0.1是由機身結構疲勞系數的臨界值決定的。

鉚合結構的疲勞性能是由Sikorsky公司的測試數據和發布在其他資源中的數據來確定的。在整個過程中，激光切口邊緣比鉚合結構承受更大的應力。整個測試包括了持久力以及塑性形變測試，技術人員發現激光邊緣并不是整個過程的關鍵因素。雖然，該測試只是一個開始，但是它表明激光技術可以應用在機身金屬板的切割中。

鉚合結構與激光切口的測試比較

激光切割過程可以更快的加工具有一致性的零件，它比傳統的加工效率更高。激光技術有望降低加工時間和生產成本。長時間以來，在7000系列鋁板的加工中，激光器的優勢一直由于疲勞性能的降低而未能得到發揮。

最近，激光系統的革新使得人們重新對激光切割航空用鋁的優勢進行評估。初步測試已經表明激光技術在機身加工中的潛力。今后的機身系統以及現有的設計不應因為過去的經驗而排除激光器在該機身系統中的可能應用。我們應該保持開放的態度來分析各種情況，以確定激光技術可否帶來產品效益。

人們采用一些技術來減小HAZ，使得加工過程精確并可控。這些技術可以使激光加工的金屬零件的疲勞退化得到降低，或者完全消除。正如同70多年前那些使得“重于空氣”的垂直飛行成為可能的技術那樣，激光切割技術不斷向前發展。雖然鋁板的激光切割起初并未用于航空行業，但在目前生產低成本、結構有效的零件中，它有望起到一定的作用。

（重慶西鋁信達鋁產業股份有限公司宣傳部整理供稿）

來源：網絡

免責聲明：本文系網絡轉載，版權歸作者所有。但因轉載眾多，或無法確認真正原始作者，故僅標明轉載來源，如涉及作品版權問題，請與我們聯系，我們將在第一時間刪除內容！內容僅代表作者個人觀點，并不代表本公眾號贊同其觀點和對其真實性負責。