内封面 | 用光搭出太空探测的“乐高”

封面解读：深空探测是21世纪人类进行空间技术创新、太空资源探索与利用的重要途径，准直器是深空探测器的关键部件。大深度、高空间分辨率栅格准直器的制造在国际上一直是个难题。封面展示了面向深空探测，准直器宏-微跨尺度栅格结构的扫描振镜激光精密焊接过程。

文章链接：黄婷, 杜伟哲, 苏坤, 张建超, 李敬洋, 祁俊峰, 雷永平, 武强, 肖荣诗. 深空探测卫星准直器跨尺度栅格结构的激光精密微焊接技术与装备[J]. 中国激光, 2022, 49(10): 1002402

一、背景介绍

目前深空探测栅格准直器主要采用框架式结构，壁厚较大的内部栅格框架和外壁通过铸造或激光增材制造等方法成形为一个整体，然后在栅格框架上加工微槽，垂直插入钨片或钽片构成准直器本体。此外，准直器栅格结构的制造方法还包括LIGA、电火花线切割等。这些方法制造出的准直器存在壁厚较厚、占空比和效率受限、制造周期长、成本高、栅格高度小等不足之处。我国自主设计的硬X射线调制望远镜卫星的中能望远镜高精度准直器由铝合金框本体和插装于本体上的若干钽栅格单元组成，栅格单元的制造采用两个相互正交排列的钽片互插和激光焊接交叉点的技术方案。

准直器栅格结构极高的精度要求以及复杂的力、热、辐射等应用环境条件，对焊点尺寸、性能及焊接变形提出了严格要求。同时，准直器涉及的栅格单元和焊点数量众多，对焊接工艺的冗余度、稳定性要求也非常高。

二、创新工作

围绕深空探测卫星准直器制造的国家重大需求，北京工业大学材料与制造学部肖荣诗教授和黄婷研究员团队联合北京卫星制造厂研究团队在国家重点研发计划支持下开展了大深度、高空间分辨率准直器跨尺度栅格结构激光精密微焊接制造方法、关键工艺技术及成套装备的研发。采用在线视觉检测定位、高精度动态聚焦扫描振镜与精密数控机床联动相结合的技术方案，研制开发出准直器跨尺度栅格结构激光精密微焊接装备和焊接工艺，实现大深度、高空间分辨率准直器栅格结构的高效激光精密微焊接与检测。

栅格单元的激光焊接采用150 W准连续光纤激光器和自主开发的三维动态聚焦扫描振镜系统，研究获得优化的工艺参数，采用固有应变法对准直器栅格单元激光焊接失稳变形进行有限元分析，优化准直器激光焊接制造工艺流程，在此基础上开发成套装备，如图1所示。

图1 准直器激光焊接成套装备

准直器栅格单元精密激光焊接装备主要由准连续光纤激光器、自主开发的高精度动态聚焦扫描振镜系统、精密X/Y运动平台、Z支撑架及运动轴、高精度CCD视觉检测系统及栅格单元钽片互插装配、焊接及插装一体化工装等构成。焊接前，机床运动到高精度CCD视场下，对焊接位置进行精确定位，然后机床运动到高精度动态聚焦扫描振镜系统，扫描振镜系统对激光束进行快速、精准的运动控制，实现栅格单元各焊点的快速、精密焊接。焊接完成后，机床再次回到CCD视场下，对焊点质量进行检测和判别。对于壁厚70 μm、准直孔尺寸1.17 mm×4.68 mm、深度67 mm的钽片栅格结构，准直孔尺寸精度可以控制在±20 μm之内。

三、总结与展望

采用在线视觉检测定位、高精度动态聚焦扫描振镜与精密数控机床联动结合的技术方案，研制出准直器跨尺度栅格结构激光精密微焊接装备，实现了准直器跨尺度栅格结构的高效激光精密微焊接与检测。后续工作将继续面向新能源领域对跨尺度反应功能微结构的需求，在已掌握高精度3D动态聚焦、跨尺度结构机器视觉位置识別及激光微焊接成套装备集成技术的基础上，进一步开展激光微增材技术与装备的研究。

课题组简介

北京工业大学肖荣诗教授团队依托光学工程国家重点学科，面向国家和首都经济与社会发展重大需求，开展先进轻质结构、反应功能微结构、宏-微-纳跨尺度结构的高功率及超快激光制造新方法、新技术、新应用等研究。拥有多套3 kW单模、6 kW和15 kW多模、2 kW/2 kW环形光束光纤激光三维加工系统及工业级高功率绿光飞秒激光精密加工系统等装备。近年来，团队承担了国家科技重大专项、国家重点研发计划、装备预研共性技术及领域基金重点项目、国家自然科学基金等多项科研项目，发表学术论文100余篇，牵头制订国家标准1项，获省部级科技奖一等奖1项、二等奖2项。