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国外高能束流加工技术的发展概况

2018-08-18 13:52:00
陆启蒙
原创
2660

高能束流加工技术是当今制造技术发展的前沿领域,是武器装备研制中不可缺少的特种加工技术。高能束流加工技术是利用以光量子、电子、等离子体为能量载体的高能量密度束流对材料和构件进行加工。它是一个典型的多学科交叉领域,研究内容极为丰富,涉及光学、电学、热力学、冶金学、金属物理、流体力学、材料科学、真空学、机械设计和自动控制以及计算机技术等多种学科。它的主要技术领域有激光束加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子体加工技术以及高能束流复合加工技术等。

一、国外高能束流加工技术的发展概况美、日及西欧的发达国家在七八十年代就将高能束流加工技术做为先进制造技术的重要组成部分列入相应的工业发展计划,并先后成立了相应的开发研究机构。日本大阪大学、德国阿亨大学的焊接研究所、英国焊接研究所、法国焊接研究所以及乌克兰巴顿焊接研究所等均有高能束流加工研究中心。通过对上述研究中心的考察及资料研究,可看出高能束流加工技术在未来的发展趋势。

(一)电子束加工技术电子束加工技术的主要应用是电子束焊(EBW),经过30多年的发展,现已成为较成熟的技术,处于平稳发展、扩大应用阶段。目前的研究工作集中在焊缝实时跟踪、电子束加热温度场计算机模拟计算、大功率二极枪的研究(间热式阴极、高压放电保护)、电子束能量密度测试、电子束焊接专家系统等方面,在应用研究方面,主要是对大气条件下电子束焊接的设备和工艺的研究以及电子束焊接大厚件的研究。另外在电子束加工设备开发中,采用了体积更小的高压电源,并采用当代先进的计算机控制以及工业电视监控等技术,使商品化的EBW设备外形更美观,操作更方便。电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术在航空发动机制造业日益受到重视。俄罗斯、乌克兰等国先后把该技术用于航空发动机叶片的热障涂层以及叶片的制造、金属材料的制备等方面。值得一提的是,乌克兰巴顿焊接所的(EB-PVD)设备已形成了实验室型、中试生产型和批生产用的系列产品;俄罗斯库兹涅佐夫设计局自1978年起开始将该技术应用于HK系列发动机叶片的生产上,并在其批生产厂安装了三台设备。现在这一技术日益得到西方的重视,例如美国P&W公司与乌克兰巴顿焊接所成立了该项技术的合资公司,以尽快在美国推广该项技术。

(二)激光加工技术10年前激光在工业上的主要应用还是切割(激光加工机的70%以上用于切割)和制孔,而近年来, 激光焊接成为热点。薄件焊接主要用于宇航业及汽车业,而 激光焊接大厚件将主要用于核工业、造船、石油、军用车辆、越野车等方面。英国焊接研究所和法国焊接研究所正针对激光焊接大厚件进行联合研究,即45KW CO[_2]激光焊接,焊接钢厚度的期望值是50mm。目前,在等离子+激光复合焊接,氩弧焊+激光复合焊接,激光质量检测技术基础(如温度场、等离子体监测等)等方面,对激光加工技术的机理开展了研究工作。在应用方面,主要利用激光焊接镀锌板、铝板、核电站散热管、高压气瓶、输油管道等,激光切割的应用领域及材料范围也越来越广。激光加工设备在工业上用的最多的是横流4~6KW CO[_2]加工机,它正向着几十千瓦的大功率方向发展。近年来开发的扩散冷却CO[_2]板条激光器具有成本低、效率高、质量好的优点,具有广泛的应用前景。YAG激光器脉冲式的最大功率是1KW,连续式的最大功率是4KW,正在发展中的双管YAG激光器预计到1998年可达5KW。另外,半导体激光器的成本低、寿命高,不久将在汽车等工业生产线上得到应用。在激光冲击硬化中,使用调质YAG激光器,而铜蒸激光器最初是用于分离同位素元素的,它将非常适合激光冲击硬化等工艺。

(三)等离子加工技术近代高技术的发展,尤其是航空、航天高技术发展的需求牵引,给等离子加工技术注入了活力。等离子切割、等离子焊接、等离子喷涂以及等离子体源离子注入和离子刻蚀技术都得到迅速发展。国外对等离子体加工技术的研究和应用给予了很大重视。俄罗斯新西伯利亚科学分院对等离子射流的研究很深入,推动了等离子矩的发展,并且研制了等离子设备软件。乌克兰巴顿焊接研究所在超音速火焰喷涂、微束等离子喷涂、爆炸喷涂等方面开展了大量的研究、应用工作。90年代后,等离子束流加工技术又从航空、航天动力装置特殊功能涂层的真空喷涂,发展到制备特种整体机构件,即等离子喷涂成形技术。预计,等离子加工技术在进入21世纪后将会有新的发展。


二、我国高能束流加工技术现状、与国外的差距及应采取的对策60年代,为了加强对高能束流加工技术的研究,经国防科工委批准在中国航空工业总公司第625 研究所建立了"高能束流加工技术国防科技重点实验室",开始了国内高能束流加工技术的研究。该实验室集激光加工技术、电子束加工技术和等离子体加工技术于一体,是我国唯一同时拥有三束加工技术的研究单位。它的建立给我们创造了一个良好的研究环境,将对我国高能束流加工技术的发展起巨大的推动作用。"高能束流加工技术重点实验室"的三个专业(激光、电子束、等离子)在过去三十多年时间里,无论是在机理研究还是在应用研究方面都开展了大量的工作,为我国高能束流加工技术发展作出了很大的贡献。其成果在我国新型航空动力装置的研制和生产应用中得到了有价值的应用。如电子束焊接用于宇航工业,激光切割、激光热处理、激光表面改性等用于汽车和冶金工业,等离子喷涂、离子刻蚀等也在很多部门得到应用。再如激光打孔技术,解决了当前高性能发动机叶片上成千上万个气膜冷却孔的加工问题,使涡轮前温度提高300~350℃,发动机推力提高20%~30%;优质电子束焊接解决了新型航空发动机压气机整体转子、燃烧室、大厚件钛合金机匣等的焊接关键技术,省去了大量机械连接,减轻结构重量10%~20%;等离子喷涂技术用在发动机的热障涂层及封严涂层中,提高了发动机的性能。我国高能束流加工技术与世界先进水平相比,差距还很大。表现在:

(1)基础研究不够深入,人员素质较低,研究水平还不高;

(2)质量控制技术研究的少,手段欠缺;

(3)科研设备总是处于落后状态;

(4)工程应用的转化速度较慢。上述因素会影响我国高能束流加工技术的发展,我们必须采取切实可行的措施,积极克服困难,努力跟踪世界先进水平,缩小差距。具体措施如下:

1.结合研究工作,开展国际合作,以提高高能束流加工技术的科研起点。国外发达国家在高能束流加工技术研究方面有很多成功经验和先进的手段,因而结合我们的研究方向,与其开展合作,可使我们在短期内掌握世界发展新动向,提高科研起点。

2.根据"需求牵引,科技进步推动,有所为,有所不为"的方针,开展重点方向的基础及应用研究。高能束流加工技术的研究领域及应用方向很广,但国情(经费、时间等)不允许我们的研究工作面面俱到,必须根据工业部门特别是国防工业的需求制定相应的应用技术研究方向,同时开展一些必要的基础研究作为技术储备。

3.实行"开放、流动、联合"的运行机制。"高能束流加工技术重点实验室"是开展高能束流加工技术研究的基地,只有实行开放、流动、联合的运行机制才能真正发挥其作用,吸引其他研究院所、学校的有志之士来此开展研究,做到优势互补,使我国高能束流加工技术整体水平得到提高。

三、我国高能束流加工技术的研究方向及"高能束流加工 技术重点实验室""九五"期间的科研工作

(一)研究方向我国高能束流加工技术的研究方向主要集中在以下三个方面:

(1).新型材料及难加工材料高能束流可加工性及工艺优化技术研究;

(2).武器装备新结构的激光束、电子束、等离子束的新加工方法及关键工艺装备研究;

(3).提高高能束流束源性能及加工过程控制和质量监控技术的研究。

(二)"高能束流加工技术国防科技重点实验室""九五"期间的主要科研工作"九五"期间"高能束流加工技术重点实验室"的主要科研工作是:

(1)高品质激光制孔及质量保证技术研究;

(2)精密 激光焊接技术研究;

(3)激光冲击硬化技术研究;

(4)激光全息技术用于焊缝质量检测的研究;

(5)激光快速成形技术研究;

(6)多功能电子束加工技术和集成工艺研究;

(7)大厚件电子束 焊接技术研究;

(8)电子束物理气相沉积技术研究;

(9)等离子喷涂高性能涂层技术研究;

(10)超音速等离子喷涂技术研究;

(11)脉冲等离子弧焊接技术研究;

(12)全方位等离子体源离子注入技术研究。

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