国外高能束流加工技术的发展概况.docx

国外高能束流加工技术的发展概况国外高能束流加工技术的发展概况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 46KW 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。