高能束流加工技术的应用与发展

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1、高能束流加工技术的应用与发展高能束流加工技术以高能量密度束流（如电子束、激光、离子束等）为热源与材料作用，从而实现材料去除、连接、变形。高能束流加工技术具有独特的技术优势，被誉为本世纪先进制造技术之一，受到越来越多的重视，应用领域不断扩大。经过多年的发展，高能束流加工技术已经应用到焊接、表面工程和快速制造等方面，在航空、航天、船舶、兵器、交通、医疗等诸多领域发挥了重要作用。一、高能束流束源品质的发展高能束流加工技术的应用与发展和高能束流束源品质有着密切的关系。随着科学技术的不断发展，无论是电子束还是激光束，束流品质越来越好，能量密度、功率等参数越来越高，加工能力和加工质量都有所提高。电子束束流

2、品质主要有两方面的内涵： 一是束流和高压的稳定性； 二是束流的形态和能量分布。前者主要取决于高压电源及相应控制系统；后者主要取决于电子枪及其电磁聚焦系统。高压电源是电子束加工设备的重要组成部分，自 20 世纪 50 年代以来，高压电源的设计及制造技术经历了 3 个阶段，即工频变压器、中频发电机组、高频开关式电源。在每个发展阶段，高压电源性能都得到了很大提高， 特别是开关式高压电源， 高压调节范围更广， 有效功率更高、 高压纹波、设备体积更小。目前，高压开关电源的各个部分均实现了高频工作方式。束流形态和能量分布主要取决于电子枪及其所属的电磁聚焦系统，目前没有专属的量化指标，通常可对束流的不同截面

3、进行能量分布的测定，来分析束流形态和能量分布是否良好。目前，电子束流发生装置（电子枪）技术发展迅速，已经由低压小功率型发展到高压大功率型，大大提升了加工能力和加工质量，同时拓展了电子束加工技术手段。我国高压电子束焊接设备的研制开发起步较晚，这主要因为高压电子束加工设备中的电子枪和高压电源设计制造技术难度大，测试试验不易开展。目前，国内开展电子束焊接设备的研究较多，但主要局限于中压、小功率电子束焊机的研究，高压、大功率设备的研究相对较少。目前已经解决了大功率高压电源和高压电子枪的问题， 国防科技重点实验室对高能束流加工技术进行了系统深入的研究，并取得了一定成果，高压电源的高压、束流稳定度均达到了

4、 0.25，同时也开发了新型电子束能量密度测量装置，以进行相关电子枪的研究改进。新型激光器的不断出现和技术上的不断改进完善，有力地推动了激光技术在各个领域的应用，特别是 20 世纪 80 年代中后期以后， YAG 激光器和 CO2 激光器的性能进一步提高，输出功率增大到千瓦和万瓦级， 使得材料的激光加工技术应用范围进一步扩大， 特别是激光焊接技术已由热传导焊向深熔焊转变，焊接机制和原理发生了根本性变化。在国外，输出功率在 10kW 左右的激光加工系统已经成为稳定应用于各工业部门的常规焊接设备。在大功率激光焊接应用方面，法国焊接研究所于 1993 年安装并完成了 45kWCO2 激光器的调试工作

5、，正在开展大厚度单道焊技术的基础研究工作。 1994 年和 1996 年，日本的先进材料加工研究所和日本钢铁公司也先后完成了 45kWCO2 激光器的安装工作。 与此同时， YAG 激光焊接系统的输出功率也有较大提高，输出功率 4kW 的商品化设备已推向市场。在国内， 激光材料加工技术经历了 30 多年的发展历史。 经过国家多个五年计划的攻关， 激光加工设备从无到有，输出功率一步步提高，还有多家单位都具有生产 2 10kWCO2 激光器系列产品的能力，也可制造千瓦级以下的 YAG 固体激光器。但是与国外相比，光束品质较差，元器件可靠性、稳定性方面需进一步提高。目前， YAG 激光器和 CO2

6、激光器的性能进一步提高。对于 YAG 激光器，为了克服其在高功率运转时严重的热透镜效应、提高激光器的输出功率和光束质量，发展了板条、管状等新型激光器结构形式； 另外， 光纤传输极大地提高了焊接操作的灵活性。 与此同时， CO2 激光器由最初的横流结构改为快速轴流结构，输出功率极大提高；射频激励和微波激励模式的建立减小了 CO2 激光器的体积，提高了效率和可调制性。20 世纪 90 年代，二极管泵浦固体激光器的出现，使激光器的体积大大缩小，光束质量高、寿命长，泵浦效率远远超过灯激励方式，是一种很有前途的新型激光加工能源，必将在很大程度上替代现有的激光加工设备。近年来，一些新型激光器相继进入激光加

7、工领域，这将拓展激光焊接设备的新领域，促进激光加工技术向前发展。 特别是光纤激光器的出现， 无论是束流品质还是输出功率都应该说是激光加工技术的一场革命性变化。二、高能束流焊接技术与传统焊接技术相比，高能束流焊接技术具有诸多优势：（ 1）功率密度高。高能束流斑点尺寸小，功率密度大。焊接束流的功率密度通常达 105108W/cm2，而一般常规电弧焊的功率密度为 102 104W/cm2。（ 2） 焊缝深宽比高。 高能束流可实现高深宽比 (即焊缝深而窄 )的焊接， 其中电子束深宽比达 601，可一次焊透 0.1 300mm 厚度的不锈钢板，激光焊的深宽比也达到 20 1。（ 3） 焊接速度快。 高能

8、束流的高能量密度使得焊接加热集中， 焊接熔化和凝固过程快、 效率高，如利用电子束焊接厚 125mm的铝板，焊接速度达 4m/min，是氩弧焊的 40 倍， 1mm 厚薄板激光焊接速度可达到 20m/min。（ 4）焊件热变形小，焊缝性能好。高能束流功率密度高，使得焊接热输入量少、焊件变形小、焊后加工量小，有利于降低制造成本，且能避免焊接接头组织晶粒长大，使接头性能改善；高温作用时间短、合金元素烧损少，能有效改善焊缝抗蚀性能。（ 5） 焊缝纯洁度高。 真空对焊缝有良好的保护作用， 高真空电子束焊尤其适合焊接钛及钛合金等活性材料。（ 6） 工艺适应性强。 焊接参数易于精确调节， 焊接头便于偏转，

9、焊接位置的可达性好， 对焊接结构的焊接适应性优于常规电弧焊， 不仅可应用于对接接头、 搭接接头， 而且特别适合于 T 形接头焊接。（ 7） 可焊材料多。 适合于难焊材料焊接， 不仅能焊金属和异种金属材料接头， 也可焊非金属材料（如陶瓷、石英玻璃等） 。国外高能束流焊接技术研究水平与应用程度都比我国好一些。在电子束焊接方面，国外围绕超高能密度装置研制，设备智能化、柔性化、电子束流特性诊断，束流与物质作用机制，以及非真空电子束焊设备及工艺等方面开展了卓有成效的研究。在日本，加速电压 600kV、功率 300kW 的超高压电子束焊机已问世，一次可焊 200mm 的不锈钢，深宽比达 70 1。同时，日

10、、俄、德开展了双枪及填丝电子束焊接技术研究。 在对大厚度板第 1 次焊接的基础上， 通过第 2 次填丝来弥补顶部下凹或咬边缺陷；日本采用双枪实现了薄板超高速焊接，反面无飞溅，成形良好。非真空电子束焊接在汽车制造领域一直倍受重视并得到应用。如手动变速器中同步环与齿轮采用非真空电子束焊接，生产率已超过 500 件 /h。最近，德国和波兰的学者共同研制了真空电子束焊接时，安装于真空室中的非接触测温装置测量点最小直径 1.8mm， 主要用于陶瓷和硬质合金的钎焊， 该装置可排除随机的热流干扰，测量精度高。在国外电子束焊接是制造军机大厚度钛合金承力框、梁等的发展趋势，俄罗斯和美国第 3、 4代战斗机的结构

11、梁、 框等重要承力件均采用电子束焊接技术。 F-14 战斗机钛合金中央翼盒是典型的电子束焊焊接结构。该翼盒长 7m，宽 0.9m，整个结构由 53 个钛合金件组成，共 70 条焊缝，焊接厚度为 12 57.2mm，全部焊缝长达 55m，电子束焊接使整个结构重量减轻 270kg。美国的 F-22 机身， 很大一部分为焊接件， 后机身钛合金前后梁结构是由腹板加强的壁板与框架经电子束焊接而成的， 包括 3556cm长的周向及纵向焊缝， 厚度在 6.4 25mm 之间， 这是航空航天工业最复杂的焊接结构之一。与常规焊接方法相比，激光能量密度高、加热集中，以具有小孔效应的大功率激光深熔模式进行焊接时，焊

12、缝深宽比大，焊接速度快，焊接结构变形小，焊缝质量高，而且激光焊接在大气环境下完成，焊接可达性好。另外，激光焊接过程还具有易于集成化、自动化、柔性化的特点。因此，激光焊接特别适合于大型结构件的焊接，已成为 21 世纪解决大型复杂结构制造的先进焊接技术之一。目前，激光焊接技术已成为衡量一个国家制造业现代化水平的重要标志。目前，基于深熔焊的激光焊接已成为汽车行业焊接标准化工艺之一，在造船工业和航空、航天工业中的应用也已经起步，例如空客公司 A380 大型宽体客机制造技术中的亮点就是激光焊接技术在飞机壁板制造中的应用，且已成为 A380 先进性的主要标志之一。另外，欧洲造船工业中船体板架构件（ 16m

13、 20m）制造中激光焊接的实际应用，美国海军焊接中心（ NJC）针对战舰和装甲车等开展的激光焊接应用技术研究，都充分展示了激光焊接在大型结构制造中的优势和应用前景。我国从 20 世纪 80 年代就开始了激光焊接技术研究，通过多年努力，已取得了长足进步：如成功实现汽车板坯激光拼焊、管道焊接；近年来，针对激光焊接铝合金和钛合金开展了基础研究，已将激光焊接技术应用于飞机结构和飞机发动机结构制造中； 另外， 还有针对性地开展了激光填丝焊和激光电弧复合焊等激光焊接新技术的研究。当前高能束流焊接被关注的主要领域为：高能束流设备的大型化功率大型化及可加工零件（乃至零件集成） 的大型化； 设备的智能化和加工的

14、柔性化； 束流品质的提高及诊断； 束流、 工件、工艺介质相互作用机制的研究；束流的复合及其效应研究；新材料的焊接及异种材料的焊接；焊接过程稳定性与可靠性调控。三、高能束流表面工程技术高能束流表面工程技术是高能束流加工技术中一个重要的组成部分，已广泛使用于武器装备及国民经济的多个领域。按照涂层的厚度来划分，可分为无涂层的表面改性技术（激光冲击强化、电子束毛化、精密局部热处理） 、 10 m 以下的涂层（薄膜）制备技术（离子注入及沉积） 、用于 100 m 以上的涂层制备技术（电子束物理气相沉积及等离子喷涂） 。1 激光冲击强化技术在激光冲击强化技术应用方面， 美国 GE 公司已开始利用激光对涡轮

15、风扇叶片和 F110 发动机风扇第 I 级工作叶片进行冲击强化，以提高叶片表面压应力、防止叶片裂纹。我国现役的 WP13 发动机压气机级、级叶片在外场使用中发生多起叶尖裂纹、掉块故障。近年来，国家某重点型号、空军“杀手锏”工程发动机在外场也发生了多起压气机二级叶片叶尖裂纹、掉块故障，造成故障的主要原因是高阶复合振动导致叶片高周疲劳失效。目前一级压气机叶片采用常规的喷丸技术，但覆盖率、零件变形都难以控制，强化工艺存在困难。与机械喷丸相比，叶片经激光冲击强化后叶片表面产生的残余压应力层深、表面质量好、疲劳性能提高幅度大。激光束的可达性好，可以对叶片进行局部强化，叶片的双面强化工艺可以很好地控制叶片

16、变形。另外，航空飞机上部分疲劳关键部位的孔结构难以采用机械喷丸强化，但可以用激光束对孔结构进行强化，并且在飞机焊接结构上也存在焊后强化的需求。2 离子注入及沉积技术对于离子注入及沉积技术， 国外已在航空零件、 生物材料、 模具和刀具等方面有了广泛的应用，该技术日益成为金属材料表面处理不可缺少的重要手段。 在此项工艺的发展进程中， 美国和英国进展最快，效果最明显。 1983 年美国国防部制定了一项离子束联合发展计划，联合美国各军事研究所、科研部门和高等院校开展改善武器装备的研究，即采用离子束技术改善热汽轮机、航天器、飞机、舰艇和其他武器装备关键部件的性能，以延长这些装备的使用寿命。目前在航空航天及其他军事领域的应用有：航天飞机主机的涡轮使用泵轴承、导航仪器轴承、喷气发动机主轴轴承、直升机传动装置的齿轮、航天设施的小型精密齿轮、燃料喷嘴和火箭往复活塞等，成效显著。3 电子束物理气相沉积技术电子束物理气相沉积技术在航空领域也具有独特的优势。如国外在飞机发动机上广泛应用电子束物理气相技术制造涡轮叶片热障涂层，提