航空航天精准激光焊接技术新突破 国产大飞机和火箭都在用它

7月，中国首款国产大飞机C919正在广西进行常态化试飞，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……《科技周刊》记者了解到，飞机和火箭的成功研发，位于我省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！”南京激光院该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作出了重要贡献。

“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形结构’。”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。”

长征五号重型运载火箭的贮箱犹如一个“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，而这些材料在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字形接头的双侧同步焊接。改善了长焊缝的焊接接头变形问题，提高了强度。”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形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，我们还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。”唐一峰表示，研究院还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形接头的双光束双侧同步焊接，并获得2021年度江苏省科学技术奖一等奖。