國外高能束流加工技術的發展概況

高能束流加工技術是當今制造技術發展的前沿領域，是武器裝備研制中不可缺少的特種加工技術。高能束流加工技術是利用以光量子、電子、等離子體為能量載體的高能量密度束流對材料和構件進行加工。它是一個典型的多學科交叉領域，研究內容極為豐富，涉及光學、電學、熱力學、冶金學、金屬物理、流體力學、材料科學、真空學、機械設計和自動控制以及計算機技術等多種學科。它的主要技術領域有激光束加工技術、電子束加工技術、離子束及等離子體加工技術以及高能束流復合加工技術等。

一、國外高能束流加工技術的發展概況美、日及西歐的發達國家在七八十年代就將高能束流加工技術做為先進制造技術的重要組成部分列入相應的工業發展計劃，并先后成立了相應的開發研究機構。日本大阪大學、德國阿亨大學的焊接研究所、英國焊接研究所、法國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。通過對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在未來的發展趨勢。

(一)電子束加工技術電子束加工技術的主要應用是電子束焊(EBW)，經過30多年的發展，現已成為較成熟的技術，處于平穩發展、擴大應用階段。目前的研究工作集中在焊縫實時跟蹤、電子束加熱溫度場計算機模擬計算、大功率二極槍的研究(間熱式陰極、高壓放電保護)、電子束能量密度測試、電子束焊接專家系統等方面，在應用研究方面，主要是對大氣條件下電子束焊接的設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備開發中，采用了體積更小的高壓電源，并采用當代先進的計算機控制以及工業電視監控等技術，使商品化的EBW設備外形更美觀，操作更方便。電子束物理氣相沉積(EB-PVD)技術在航空發動機制造業日益受到重視。俄羅斯、烏克蘭等國先后把該技術用于航空發動機葉片的熱障涂層以及葉片的制造、金屬材料的制備等方面。值得一提的是，烏克蘭巴頓焊接所的(EB-PVD)設備已形成了實驗室型、中試生產型和批生產用的系列產品；俄羅斯庫茲涅佐夫設計局自1978年起開始將該技術應用于HK系列發動機葉片的生產上，并在其批生產廠安裝了三臺設備?，F在這一技術日益得到西方的重視，例如美國P&W公司與烏克蘭巴頓焊接所成立了該項技術的合資公司，以盡快在美國推廣該項技術。

(二)激光加工技術10年前激光在工業上的主要應用還是切割(激光加工機的70%以上用于切割)和制孔，而近年來，激光焊接成為熱點。薄件焊接主要用于宇航業及汽車業，而激光焊接大厚件將主要用于核工業、造船、石油、軍用車輛、越野車等方面。英國焊接研究所和法國焊接研究所正針對激光焊接大厚件進行聯合研究，即45KW CO[_2]激光焊接，焊接鋼厚度的期望值是50mm。目前，在等離子+激光復合焊接，氬弧焊+激光復合焊接，激光質量檢測技術基礎(如溫度場、等離子體監測等)等方面，對激光加工技術的機理開展了研究工作。在應用方面，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，激光切割的應用領域及材料范圍也越來越廣。激光加工設備在工業上用的最多的是橫流4～6KW CO[_2]加工機，它正向著幾十千瓦的大功率方向發展。近年來開發的擴散冷卻CO[_2]板條激光器具有成本低、效率高、質量好的優點，具有廣泛的應用前景。YAG激光器脈沖式的最大功率是1KW，連續式的最大功率是4KW，正在發展中的雙管YAG激光器預計到1998年可達5KW。另外，半導體激光器的成本低、壽命高，不久將在汽車等工業生產線上得到應用。在激光沖擊硬化中，使用調質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)等離子加工技術近代高技術的發展，尤其是航空、航天高技術發展的需求牽引，給等離子加工技術注入了活力。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都得到迅速發展。國外對等離子體加工技術的研究和應用給予了很大重視。俄羅斯新西伯利亞科學分院對等離子射流的研究很深入，推動了等離子矩的發展，并且研制了等離子設備軟件。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、爆炸噴涂等方面開展了大量的研究、應用工作。90年代后，等離子束流加工技術又從航空、航天動力裝置特殊功能涂層的真空噴涂，發展到制備特種整體機構件，即等離子噴涂成形技術。預計，等離子加工技術在進入21世紀后將會有新的發展。

二、我國高能束流加工技術現狀、與國外的差距及應采取的對策60年代，為了加強對高能束流加工技術的研究，經國防科工委批準在中國航空工業總公司第625 研究所建立了"高能束流加工技術國防科技重點實驗室"，開始了國內高能束流加工技術的研究。該實驗室集激光加工技術、電子束加工技術和等離子體加工技術于一體，是我國唯一同時擁有三束加工技術的研究單位。它的建立給我們創造了一個良好的研究環境，將對我國高能束流加工技術的發展起巨大的推動作用。"高能束流加工技術重點實驗室"的三個專業(激光、電子束、等離子)在過去三十多年時間里，無論是在機理研究還是在應用研究方面都開展了大量的工作，為我國高能束流加工技術發展作出了很大的貢獻。其成果在我國新型航空動力裝置的研制和生產應用中得到了有價值的應用。如電子束焊接用于宇航工業，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，等離子噴涂、離子刻蝕等也在很多部門得到應用。再如激光打孔技術，解決了當前高性能發動機葉片上成千上萬個氣膜冷卻孔的加工問題，使渦輪前溫度提高300～350℃，發動機推力提高20%～30%；優質電子束焊接解決了新型航空發動機壓氣機整體轉子、燃燒室、大厚件鈦合金機匣等的焊接關鍵技術，省去了大量機械連接，減輕結構重量10%～20%；等離子噴涂技術用在發動機的熱障涂層及封嚴涂層中，提高了發動機的性能。我國高能束流加工技術與世界先進水平相比，差距還很大。表現在：

(1)基礎研究不夠深入，人員素質較低，研究水平還不高；

(2)質量控制技術研究的少，手段欠缺；

(3)科研設備總是處于落后狀態；

(4)工程應用的轉化速度較慢。上述因素會影響我國高能束流加工技術的發展，我們必須采取切實可行的措施，積極克服困難，努力跟蹤世界先進水平，縮小差距。具體措施如下：

1.結合研究工作，開展國際合作，以提高高能束流加工技術的科研起點。國外發達國家在高能束流加工技術研究方面有很多成功經驗和先進的手段，因而結合我們的研究方向，與其開展合作，可使我們在短期內掌握世界發展新動向，提高科研起點。

2.根據"需求牽引，科技進步推動，有所為，有所不為"的方針，開展重點方向的基礎及應用研究。高能束流加工技術的研究領域及應用方向很廣，但國情(經費、時間等)不允許我們的研究工作面面俱到，必須根據工業部門特別是國防工業的需求制定相應的應用技術研究方向，同時開展一些必要的基礎研究作為技術儲備。

3.實行"開放、流動、聯合"的運行機制。"高能束流加工技術重點實驗室"是開展高能束流加工技術研究的基地，只有實行開放、流動、聯合的運行機制才能真正發揮其作用，吸引其他研究院所、學校的有志之士來此開展研究，做到優勢互補，使我國高能束流加工技術整體水平得到提高。

三、我國高能束流加工技術的研究方向及"高能束流加工 技術重點實驗室""九五"期間的科研工作

(一)研究方向我國高能束流加工技術的研究方向主要集中在以下三個方面：

(1).新型材料及難加工材料高能束流可加工性及工藝優化技術研究；

(2).武器裝備新結構的激光束、電子束、等離子束的新加工方法及關鍵工藝裝備研究；

(3).提高高能束流束源性能及加工過程控制和質量監控技術的研究。

(二)"高能束流加工技術國防科技重點實驗室""九五"期間的主要科研工作"九五"期間"高能束流加工技術重點實驗室"的主要科研工作是：

(1)高品質激光制孔及質量保證技術研究；

(2)精密激光焊接技術研究；

(3)激光沖擊硬化技術研究；

(4)激光全息技術用于焊縫質量檢測的研究；

(5)激光快速成形技術研究；

(6)多功能電子束加工技術和集成工藝研究；

(7)大厚件電子束焊接技術研究；

(8)電子束物理氣相沉積技術研究；

(9)等離子噴涂高性能涂層技術研究；

(10)超音速等離子噴涂技術研究；

(11)脈沖等離子弧焊接技術研究；

(12)全方位等離子體源離子注入技術研究。