高能束流加工技術(shù)的發(fā)展概況
發(fā)布日期:2022-12-22
| 高能束流加工技術(shù)是當(dāng)今制造技術(shù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，是武器裝備研制中不可缺少的技術(shù)。高能束流加工技術(shù)是利用以光量子、電子、等離子體為能量載體的高能量密度束流對(duì)材料和構(gòu)件進(jìn)行加工。它是一個(gè)典型的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，研究?jī)?nèi)容極為豐富，涉及光學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)、冶金學(xué)、金屬物理、流體力學(xué)、材料科學(xué)、真空學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種學(xué)科。它的主要技術(shù)領(lǐng)域有激光束加工技術(shù)、電子束加工技術(shù)、離子束及等離子體加工技術(shù)以及高能束流復(fù)合加工技術(shù)等。 一、國(guó)外高能束流加工技術(shù)的發(fā)展概況 美、日及西歐的發(fā)達(dá)國(guó)家在七八十年代就將高能束流加工技術(shù)做為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分列入相應(yīng)的工業(yè)發(fā)展計(jì)劃，并先后成立了相應(yīng)的開(kāi)發(fā)研究機(jī)構(gòu)。日本大阪大學(xué)、德國(guó)阿亨大學(xué)的焊接研究所、英國(guó)焊接研究所、法國(guó)焊接研究所以及烏克蘭巴頓焊接研究所等均有高能束流加工研究中心。通過(guò)對(duì)上述研究中心的考察及資料研究，可看出高能束流加工技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。 (一)電子束加工技術(shù) 電子束加工技術(shù)的主要應(yīng)用是電子束焊(EBW)，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為較成熟的技術(shù)，處于平穩(wěn)發(fā)展、擴(kuò)大應(yīng)用階段。目前的研究工作集中在焊縫實(shí)時(shí)跟蹤、電子束加熱溫度場(chǎng)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算、大功率二極槍的研究(間熱式陰極、高壓放電保護(hù))、電子束能量密度測(cè)試、電子束焊接專家系統(tǒng)等方面，在應(yīng)用研究方面，主要是對(duì)大氣條件下電子束焊接的設(shè)備和工藝的研究以及電子束焊接大厚件的研究。另外在電子束加工設(shè)備開(kāi)發(fā)中，采用了體積更小的高壓電源，并采用當(dāng)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制以及工業(yè)電視監(jiān)控等技術(shù)，使商品化的EBW設(shè)備外形更美觀，操作更方便。電子束物理氣相沉積(EB-PVD)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)日益受到重視。俄羅斯、烏克蘭等國(guó)先后把該技術(shù)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的熱障涂層以及葉片的制造、的制備等方面。值得一提的是，烏克蘭巴頓焊接所的(EB-PVD)設(shè)備已形成了實(shí)驗(yàn)室型、中試生產(chǎn)型和批生產(chǎn)用的系列產(chǎn)品；俄羅斯庫(kù)茲涅佐夫設(shè)計(jì)局自1978年起開(kāi)始將該技術(shù)應(yīng)用于HK系列發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)上，并在其批生產(chǎn)廠安裝了三臺(tái)設(shè)備。現(xiàn)在這一技術(shù)日益得到西方的重視，例如美國(guó)P&W公司與烏克蘭巴頓焊接所成立了該項(xiàng)技術(shù)的合資公司，以盡快在美國(guó)推廣該項(xiàng)技術(shù)。 (二)激光加工技術(shù) 10年前激光在工業(yè)上的主要應(yīng)用還是切割(激光加工機(jī)的70%以上用于切割)和制孔，而近年來(lái)，激光焊接成為熱點(diǎn)。薄件焊接主要用于宇航業(yè)及汽車業(yè)，而激光焊接大厚件將主要用于核工業(yè)、造船、石油、軍用車輛、越野車等方面。英國(guó)焊接研究所和法國(guó)焊接研究所正針對(duì)激光焊接大厚件進(jìn)行聯(lián)合研究，即45KWCO[_2]激光焊接，焊接鋼厚度的期望值是50mm。目前，在等離子+激光復(fù)合焊接，氬弧焊+激光復(fù)合焊接，激光質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)(如溫度場(chǎng)、等離子體監(jiān)測(cè)等)等方面，對(duì)激光加工技術(shù)的機(jī)理開(kāi)展了研究工作。在應(yīng)用方面，主要利用激光焊接鍍鋅板、鋁板、核電站散熱管、高壓氣瓶、輸油管道等，激光切割的應(yīng)用領(lǐng)域及材料范圍也越來(lái)越廣。激光加工設(shè)備在工業(yè)上用的最多的是橫流4～6KWCO[_2]加工機(jī)，它正向著幾十千瓦的大功率方向發(fā)展。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的擴(kuò)散冷卻CO[_2]板條激光器具有成本低、效率高、質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。YAG激光器脈沖式的最大功率是1KW，連續(xù)式的最大功率是4KW，正在發(fā)展中的雙管YAG激光器預(yù)計(jì)到1998年可達(dá)5KW。另外，半導(dǎo)體激光器的成本低、壽命高，不久將在汽車等工業(yè)生產(chǎn)線上得到應(yīng)用。在激光沖擊硬化中，使用調(diào)質(zhì)YAG激光器，而銅蒸激光器最初是用于分離同位素元素的，它將非常適合激光沖擊硬化等工藝。 (三)等離子加工技術(shù) 近代高技術(shù)的發(fā)展，尤其是航空、航天高技術(shù)發(fā)展的需求牽引，給等離子加工技術(shù)注入了活力。等離子切割、等離子焊接、等離子噴涂以及等離子體源離子注入和離子刻蝕技術(shù)都得到迅速發(fā)展。國(guó)外對(duì)等離子體加工技術(shù)的研究和應(yīng)用給予了很大重視。俄羅斯新西伯利亞科學(xué)分院對(duì)等離子射流的研究很深入，推動(dòng)了等離子矩的發(fā)展，并且研制了等離子設(shè)備軟件。烏克蘭巴頓焊接研究所在超音速火焰噴涂、微束等離子噴涂、爆炸噴涂等方面開(kāi)展了大量的研究、應(yīng)用工作。90年代后，等離子束流加工技術(shù)又從航空、航天動(dòng)力裝置特殊功能涂層的真空噴涂，發(fā)展到制備特種整體機(jī)構(gòu)件，即等離子噴涂成形技術(shù)。預(yù)計(jì)，等離子加工技術(shù)在進(jìn)入21世紀(jì)后將會(huì)有新的發(fā)展。 二、我國(guó)高能束流加工技術(shù)現(xiàn)狀、與國(guó)外的差距及應(yīng)采取的對(duì)策 60年代，為了加強(qiáng)對(duì)高能束流加工技術(shù)的研究，經(jīng)國(guó)防科工委批準(zhǔn)在中國(guó)航空工業(yè)總公司第625研究所建立了"高能束流加工技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室"，開(kāi)始了國(guó)內(nèi)高能束流加工技術(shù)的研究。該實(shí)驗(yàn)室集激光加工技術(shù)、電子束加工技術(shù)和等離子體加工技術(shù)于一體，是我國(guó)唯一同時(shí)擁有三束加工技術(shù)的研究單位。它的建立給我們創(chuàng)造了一個(gè)良好的研究環(huán)境，將對(duì)我國(guó)高能束流加工技術(shù)的發(fā)展起巨大的推動(dòng)作用。"高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室"的三個(gè)專業(yè)(激光、電子束、等離子)在過(guò)去三十多年時(shí)間里，無(wú)論是在機(jī)理研究還是在應(yīng)用研究方面都開(kāi)展了大量的工作，為我國(guó)高能束流加工技術(shù)發(fā)展作出了很大的貢獻(xiàn)。其成果在我國(guó)新型航空動(dòng)力裝置的研制和生產(chǎn)應(yīng)用中得到了有價(jià)值的應(yīng)用。如電子束焊接用于宇航工業(yè)，激光切割、激光熱處理、激光表面改性等用于汽車和冶金工業(yè)，等離子噴涂、離子刻蝕等也在很多部門得到應(yīng)用。再如激光打孔技術(shù)，解決了當(dāng)前高性能發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上成千上萬(wàn)個(gè)氣膜冷卻孔的加工問(wèn)題，使渦輪前溫度提高300～350℃，發(fā)動(dòng)機(jī)推力提高20%～30%；優(yōu)質(zhì)電子束焊接解決了新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)整體轉(zhuǎn)子、燃燒室、大厚件鈦合金機(jī)匣等的焊接關(guān)鍵技術(shù)，省去了大量機(jī)械連接，減輕結(jié)構(gòu)重量10%～20%；等離子噴涂技術(shù)用在發(fā)動(dòng)機(jī)的熱障涂層及封嚴(yán)涂層中，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。我國(guó)高能束流加工技術(shù)與世界先進(jìn)水平相比，差距還很大。表現(xiàn)在：①基礎(chǔ)研究不夠深入，人員素質(zhì)較低，研究水平還不高；②質(zhì)量控制技術(shù)研究的少，手段欠缺；③科研設(shè)備總是處于落后狀態(tài)；④工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化速度較慢。上述因素會(huì)影響我國(guó)高能束流加工技術(shù)的發(fā)展，我們必須采取切實(shí)可行的措施，積極克服困難，努力跟蹤世界先進(jìn)水平，縮小差距。具體措施如下： （1）結(jié)合研究工作，開(kāi)展國(guó)際合作，以提高高能束流加工技術(shù)的科研起點(diǎn)。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在高能束流加工技術(shù)研究方面有很多成功經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)的手段，因而結(jié)合我們的研究方向，與其開(kāi)展合作，可使我們?cè)诙唐趦?nèi)掌握世界發(fā)展新動(dòng)向，提高科研起點(diǎn)。 （2）根據(jù)"需求牽引，科技進(jìn)步推動(dòng)，有所為，有所不為"的方針，開(kāi)展重點(diǎn)方向的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。高能束流加工技術(shù)的研究領(lǐng)域及應(yīng)用方向很廣，但國(guó)情(經(jīng)費(fèi)、時(shí)間等)不允許我們的研究工作面面俱到，必須根據(jù)工業(yè)部門特別是國(guó)防工業(yè)的需求制定相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)研究方向，同時(shí)開(kāi)展一些必要的基礎(chǔ)研究作為技術(shù)儲(chǔ)備。 （3）實(shí)行"開(kāi)放、流動(dòng)、聯(lián)合"的運(yùn)行機(jī)制。"高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室"是開(kāi)展高能束流加工技術(shù)研究的基地，只有實(shí)行開(kāi)放、流動(dòng)、聯(lián)合的運(yùn)行機(jī)制才能真正發(fā)揮其作用，吸引其他研究院所、學(xué)校的有志之士來(lái)此開(kāi)展研究，做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使我國(guó)高能束流加工技術(shù)整體水平得到提高。 三、我國(guó)高能束流加工技術(shù)的研究方向及"高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室""九五"期間的科研工作 (一)研究方向我國(guó)高能束流加工技術(shù)的研究方向主要集中在以下三個(gè)方面：（1）及難加工材料高能束流可加工性及工藝優(yōu)化技術(shù)研究；（2）武器裝備新結(jié)構(gòu)的激光束、電子束、等離子束的新加工方法及關(guān)鍵工藝裝備研究；（3）提高高能束流束源性能及加工過(guò)程控制和質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)的研究。 (二)"高能束流加工技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室""九五"期間的主要科研工作"九五"期間"高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室"的主要科研工作是：（1）高品質(zhì)激光制孔及質(zhì)量保證技術(shù)研究；（2）精密激光焊接技術(shù)研究；（3）激光沖擊硬化技術(shù)研究；（4）激光全息技術(shù)用于焊縫質(zhì)量檢測(cè)的研究；（5）激光快速成形技術(shù)研究；（6）多功能電子束加工技術(shù)和集成工藝研究；（7）大厚件電子束焊接技術(shù)研究；（8）電子束物理氣相沉積技術(shù)研究；（9）等離子噴涂高性能涂層技術(shù)研究；（10）超音速等離子噴涂技術(shù)研究；（11）脈沖等離子弧焊接技術(shù)研究；（12）全方位等離子體源離子注入技術(shù)研究。
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