热情 主动 睿智——访北京航空制造工程研究所副总工程师巩水利研究员

本刊记者/Reporter 汪艺/WANG Yi

航空航天技术的发展具有重要意义，制造技术及相关装备对航空航天制造的发展起着至关重要的作用，我们国家的航空航天制造技术的现状和发展如何？带着这样的问题本刊记者采访了北京航空制造工程研究所副总工程师巩水利研究员，巩总介绍了他多年所做的工作及这些工作在航空领域中的应用。

巩总从大学毕业一直从事焊接技术研究与应用工作，先后开展了传统弧焊技术、无损检测技术和现在的高能束流焊接技术与应用研究,与此同时，巩总还积极关注新的技术领域，主要贡献有：（1）以我国武器装备发展需求为目标，确定敢为人先的精神，组件研发队伍，艰苦奋斗，打破国际封锁，短短十年时间，突破了飞行器关键结构轻质合金激光焊接基础与应用技术基础研究，实现激光对接焊、填丝焊接及其复合焊接和大功率激光双光束填丝焊接技术三级跳跃，率先实现了大型复杂钛合金结构激光焊接并应用于先进飞行器整体化、轻量化长寿命和高可靠制造，使激光焊接技术站在了世界前沿，达到国际领先水平。（2）针对增材制造技术的快速发展和强大的应用潜力，敏锐地意识到这一领域的技术对航空制造技术的提升和助推作用。在制造所和重点实验室积极推动发展增材制造技术，在国内率先开展电子束熔丝成型技术研究和大型复杂金属结构激光精密选区成型制造技术研究。并将这两项技术成果首次应用于航空关键结构的制造，使该技术达到国际先进或领先水平。（3）积极跟踪和掌握国际表面工程技术发展动态和趋势，在继续推动重点实验室表面工程原有专业技术发展的同时，坚定拓展新方向，积极开展表面结构功能一体化制造、超快激光制造技术研究等国际前沿技术，为提升新一代航空飞行器技战性能奠定了扎实技术基础。

双光束激光焊接

双光束激光焊接技术是实现带筋壁板结构的蒙皮与加强筋之间T型接头焊接的关键技术手段，即采用两束激光沿加强筋板两侧对壁板结构T型接头实施同步焊接，完成蒙皮与加强筋之间的连接。其优点是由于采用了对称的焊接热源，从T型接头两侧同步施焊，最大程度地减小焊接产生的变形，保证蒙皮外型面的形状精度。因此，双光束激光焊接技术在国外航空制造领域迅速得到了应用。20世纪80年代后，英国焊接研究所（TWI）开展了筋条和基板厚度分别为3.5 mm和3 mm的AA2014铝合金加筋壁板激光焊接研究，并成功实现了双光束YAG激光填丝焊焊接，焊接接头质量良好，焊接变形小于TIG焊。德国宇航公司MBB将双光束激光焊接技术应用于机身、机翼、内隔板等与加强筋的全部连接，取代原有的铆接工艺。而空客公司在以A380为代表的系列机型上均大量采用了双光束激光焊接的铝合金整体壁板，即采用双光束激光焊接技术将6013 T6铝合金机身蒙皮与6013 T6511铝合金加强筋焊接成为整体机身壁板，取代原有的铆接密封壁板，强度提高近20%，结构重量减轻近20%，成本降低25%。2003年，空中客车公司与BIAS等研究所合作，先后采用双光束CO2激光填丝焊和YAG激光填丝焊成功地焊接了A318客机铝合金下壁板结构，实现激光焊替代铆钉，随后空中客车公司又将激光焊扩展应用于空客A380、A340等机型的下壁板结构，A380的舱壁门筋板以及无人驾驶飞机结构。

双光束激光焊接技术的这些应用使焊接技术成功地实现了从零件级到部件级，甚至部件间连接的质的跨越，这被认为是航空制造业的一次伟大的技术变革。

紧跟国外激光焊接技术研究和应用的发展，巩总所在的北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室组建了一个团结协作、激情进取的精英团队，先后建立了3 kW YAG激光和4 kW CO2激光焊接系统以及先进的大功率光纤激光焊接平台等，以整体化焊接的钛合金、铝合金蒙皮类、型腔类及壁板类结构为研究对象，先后开展了激光深熔焊接技术、各种激光复合焊接技术以及双光束激光焊接技术等的基础与应用研究，并成功地将活性剂激光焊接技术应用于飞机钛合金蒙皮类和型腔类结构的对接拼焊。双光束激光焊接技术研究也获得重大突破，并率先应用于飞机钛合金壁板类结构蒙皮与加强筋之间的整体化焊接。确立了这项技术在国际的领先地位。

增材制造技术

高能束流增材制造技术也就是我们所说的3D打印技术，是基于离散/堆积原理的增材成型技术，由零件的3D模型可直接制造出任意复杂形状的金属零件，能够大大减少制造工序、缩短生产周期，节省材料、降低成本。自上世纪90年代中期以来，该技术已发展为多种门类。

中航工业北京航空制造工程研究所增材制造是高能束流加工技术国家重点实验室的3个主要研究方向之一，也是我国最早开展增材制造技术研究单位之一，目前拥有以关桥院士为学术带头人、中青年研究员、博士、硕士为骨干约20余人的研究团队，专业涵盖成形工艺、装备开发、软件设计、性能测试等各个领域。中航工业北京航空制造工程研究所增材制造技术在各级领导和兄弟单位的关心支持下，进入了快速发展期，先后获得重点实验室基金、航空联合基金、航空支撑、总装预研、国防基础预研、重点型号技术攻关等项目支持。目前正积极努力将成果更多、更快、更好地推广应用于国家重大项目的研制生产。目前开展的研究方向有电子束熔丝沉积、电子束选区熔化、激光直接沉积和激光选区熔化增材制造技术。

北京航空制造工程研究所于2006年开始电子束熔丝沉积成形技术研究工作，也是国内最早从事这项技术研究的单位。开发了国内首台电子束熔丝沉积成形设备，目前开发的国际最大的电子束成形设备真空室46 m3，有效加工范围1.5 m×0.8 m×3 m，5轴联动，双通道送丝。在此基础上，研究了TC4、TC18钛合金的力学性能，研制了大量钛合金零件和试验件并得到技术验证。2012年，电子束快速成形钛合金零件在国内率先实现了装机应用。自“十五”开始，在国家自然科学基金委员会、国家863 计划、国家973 计划、总装预研计划等国家主要科技研究计划资助下，中航工业北京航空制造工程研究所开展了激光直接沉积工艺研究、力学性能控制、成套装备研发及工程应用关键技术攻关，并取得了较大进展。中航工业北京航空制造工程研究所对某型号发动机TC11钛合金斜流整体叶轮误加工超差进行了修复，目前已顺利通过试车考核。重点突破了金属零件激光选区熔化增材成形关键技术和装备。解决了激光选区熔化成形过程粉末球化、应力及变形、缺陷检测及控制和组织调控等关键技术难题，研制出国内最大的激光选区熔化增材成形的空间曲面多孔金属件，与设计单位编制和制定了金属零件的激光选区熔化增材成形的材料和制件技术条件以及相关工艺规程和规范，率先实现了装机应用，该项技术达到国际领先水平。

高能束焊接及表面工程

巩总在高能束焊接方面主要开展的研究方向为：（1）高能束与特种能场的特性、检测及调制、复合与优化；（2）高能束、特种能场和材料的相互作用机理；（3）高能束与特种能场制造的新原理、新工艺和新方法及其应用；（4）高能束与特种能场过程稳定性机制与质量控制原理与方法。

高能束流加工技术重点研究与应用技术领域之一就是表面工程。我国新型武器零部件的性能、可靠性和使用寿命要求越来越苛刻，以航空发动机为例，未来军用发动机空中停车率要达到0.01‰～0.06‰飞行小时，民用发动机达到0.002‰～0.02‰飞行小时，同时军用发动机也提出了很高的性能要求。为达到这些寿命、可靠性和抗疲劳等性能的技术要求, 迫切需要对零部件进行高能束表面加工处理，按照工件处理表面的厚度不同可以将其划分为3类：表面改性、薄膜及涂层技术。作为高能束流加工技术重要发展领域之一，高能束流表面工程在航空航天等工业领域具有举足轻重的地位和作用。

航空制造技术发展方向

在谈及航空领域加工制造技术的情况时，巩总介绍道我国是制造大国而不是制造强国，在航空制造技术领域主要表现在一下几个方面：

（1）用于基础制造的航空航天专用装备技术总体落后，在制造尺度、制造精度、制造可靠性、制造成本效益比等方面还较发达工业国家落后。如大型整体结构件数控加工装备：包括多坐标/多主轴 /高刚性/大功率数控龙门铣削设备、轻型高速/多坐标铣削设备、立式加工中心等航空领域急需的数控加工设备、工艺及主要部件的国产化；大型精密钣金成形装备：包括数控喷丸成形设备、快速成型设备、数控旋压成形设备及工艺；大型金属结构先进焊接装备：包括电子束焊接设备、激光焊接设备、搅拌摩擦焊设备及工艺等；复合材料构件制造装备：包括复合材料构件制造铺带设备、丝束铺放设备、缠绕设备、大型无损检测设备、缝纫设备、大型热压罐、 固化炉及工艺等；飞机装配自动化设备：包括精密制孔设备、自动钻铆设备、电磁铆接设备、柔性自动装配系统、柔性工装及工艺等；用于钛合金、高温合金整体结构机匣、整体叶轮、整体叶盘、发动机叶片等加工装备：精密数控五坐标加工中心、数控镗铣床、榫齿成形磨床、数控电加工装备需求；用于叶片制造的数控超塑成形、扩散焊等特种焊接（大型真空钎焊设备、线性摩擦焊、特种加工（包括激光、电子束、离子束、磨粒流加工等）装备需求等。

（2）国内还没有形成独立、完整的国家或行业技术体系标准和规范，如金属加工类高档数控设备相关标准系列及规范、金属成型技术领域专用装备相关标准系列及规范、航空连接技术领域专用装备相关标准系列及规范、飞机装配技术领域专用装备相关标准系列及规范、特种加工技术领域类专用装备相关标准系列及规范等。

对这些差距和问题，巩总说：“国家十分重视，也正在通过各种发展战略规划和决策，采取各种重大举措尽快改变；相信经过多年的不断努力和奋斗，我国在制造领域会逐步缩小差距、赶上或超过发达工业国家，成为制造强国。”

巩总最后总结这些年自己工作的体会认为：首先要有热情和激情，主动交流和推动新技术的应用；其次要有敏锐的眼光和头脑，紧密结合需求，起点要高，目标要准，步子要快，只有这样才不落后。