现代飞机大量使用高强度碳纤维复合材料构件,构件尺度大(往往大于5米),厚度一般在2-10毫米。这类构件的高效率、高质量切边是其在航空领域应用的重大关键技术,传统机械切割存在刀具磨损、容易分层及加工环境恶劣等问题;水射流切割存在分层问题和磨粒夹杂很难消除的问题;超快激光切割虽然加工质量较好,但存在效率低下,对大尺度构件不适用等问题。
本团队针对国产大飞机C919飞机平尾翼及未来国产飞机复合材料结构件高效率、低损伤精密切割的国家重大需求,发明了将KW级水导激光加工与万瓦级干式激光切割相复合的新型加工工艺,解决了高功率水导激光加工头、超大行程水导激光能量稳定传输、柔性部件多自由度支撑/原位姿态捕捉/自动巡边、双五轴大型龙门机床自主软件控制等系列技术问题,推出了大型装备。首先,通过万瓦级激光器高速切割复合材料,然后,启动高功率水导激光,快速启动加工路径再次规划,去除干式切割的热影响区材料,成功实现了CFRP国产C919平尾翼的高质量、高效率切割,加工范围达到7米长3米宽1.2米高,是国际引领级别的大尺寸双五轴复合材料加工系统,为我国大飞机制造技术的提升奠定了重要的工艺基础和自主装备技术基础。
相关技术通过了中国商飞集团组织的项目验收,获得高度好评。该团队通过解决基于红外光纤激光的大行程水导激光加工难题,将干湿两类大功率光纤激光切割工艺技术深度融合,实现了五轴联动的智能化切割与打孔,可以兼顾金属材料、复合材料的超低热影响精密加工,尤其适用于各种薄壁材料的高效率高质量切割,应用广泛。中科院宁波材料所激光团队为该技术的第一发明单位和高能水导激光加工头的主要贡献单位;宁波大艾激光科技有限公司为该技术的总体实现单位;上海交大为本项目承担了柔性支撑系统总成和自主控制系统研发任务;中国商飞作为用户单位,推动了技术方案的持续改进、结构件的提供和加工质量的提升;北京航空航天大学为复合材料的加工质量评价做出了贡献。