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高能束流加工技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

作者： 2013年07月22日來(lái)源：瀏覽量：

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高能束流加工技術(shù)以高能量密度束流(電子束、激光、離子束等)為熱源與材料作用，從而實(shí)現(xiàn)材料去除、連接、生長(zhǎng)和改性。高能束流加工該技術(shù)具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為本世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)之一，受到越來(lái)越多的重視，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，高能束流加工技術(shù)已經(jīng)應(yīng)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、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

　　高能束流束源品質(zhì)的發(fā)展

　　高能束流加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展和高能束流束源品質(zhì)有著密切的關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)論是電子束還是激光束，束流品質(zhì)越來(lái)越好，能量密度、功率等參數(shù)越來(lái)越高，加工能力和加工質(zhì)量都有所提高。

　　電子束束流品質(zhì)主要有2方面的內(nèi)涵：一是束流和高壓的穩(wěn)定性;二是束流的形態(tài)和能量分布。前者主要取決于高壓電源及相應(yīng)控制系統(tǒng);后者主要取決于電子槍及其電磁聚焦系統(tǒng)。

　　高壓電源是電子束加工設(shè)備的重要組成部分，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，高壓電源的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)經(jīng)歷了3個(gè)階段，即工頻變壓器、中頻發(fā)電機(jī)組、高頻開(kāi)關(guān)式電源。在每個(gè)發(fā)展階段，高壓電源性能都得到了很大提高，特別是開(kāi)關(guān)式高壓電源，高壓調(diào)節(jié)范圍更廣，有效功率更高、高壓紋波、設(shè)備體積更小。目前，高壓開(kāi)關(guān)電源的各個(gè)部分均實(shí)現(xiàn)了高頻工作方式，通常在束流滿量程的情況下，束流穩(wěn)定度達(dá)到±0.25%，高壓的穩(wěn)定度達(dá)到±0.25%。襯氟蝶閥

　　束流形態(tài)和能量分布主要取決于電子槍及其所屬的電磁聚焦系統(tǒng)，目前沒(méi)有專屬的量化指標(biāo)，通常可對(duì)束流的不同截面進(jìn)行能量分布的測(cè)定，來(lái)分析束流形態(tài)和能量分布是否良好。目前，電子束流發(fā)生裝置(電子槍)技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)由低壓小功率型發(fā)展到高壓大功率型(如表1所示)，大大提升了加工能力和加工質(zhì)量，同時(shí)拓展了電子束加工技術(shù)手段。

　　我國(guó)高壓電子束焊接設(shè)備的研制開(kāi)發(fā)起步較晚，這主要因?yàn)楦邏弘娮邮庸ぴO(shè)備中的電子槍和高壓電源設(shè)計(jì)制造技術(shù)難度大，測(cè)試試驗(yàn)不易開(kāi)展。目前，國(guó)內(nèi)開(kāi)展電子束焊接設(shè)備的研究較多，但主要局限于中壓、小功率電子束焊機(jī)的研究，高壓、大功率設(shè)備的研究相對(duì)較少。目前已經(jīng)解決了大功率高壓電源和高壓電子槍的問(wèn)題，國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)高能束流加工技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，并取得了一定成果，高壓電源的高壓、束流穩(wěn)定度均達(dá)到了±0.25%，同時(shí)也開(kāi)發(fā)了新型電子束能量密度測(cè)量裝置，以進(jìn)行相關(guān)電子槍的研究改進(jìn)。

　　新型激光器的不斷出現(xiàn)和技術(shù)上的不斷改進(jìn)完善，有力地推動(dòng)了激光技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是20世紀(jì)80年代中后期以后，Nd:YAG激光器和CO2激光器的性能進(jìn)一步提高，輸出功率增大到千瓦和萬(wàn)瓦級(jí)，使得材料的激光加工技術(shù)應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，特別是激光焊接技術(shù)已由熱傳導(dǎo)焊向深熔焊轉(zhuǎn)變，焊接機(jī)制和原理發(fā)生了根本性變化。

　　在國(guó)外，輸出功率在10kW左右的CO2激光加工系統(tǒng)已經(jīng)成為穩(wěn)定應(yīng)用于各工業(yè)部門(mén)的常規(guī)焊接設(shè)備。在大功率激光焊接應(yīng)用方面，法國(guó)焊接研究所于1993年安裝并完成了45kW CO2激光器的調(diào)試工作，正在開(kāi)展大厚度(40～50m m)單道焊技術(shù)基礎(chǔ)研究工作。1994年和1996年，日本的Kinki先進(jìn)材料加工研究所和日本鋼鐵公司也先后完成了45kW CO2激光器的安裝工作。與此同時(shí)，YAG激光焊接系統(tǒng)的輸出功率也有較大提高，輸出功率4k W的商品化設(shè)備已推向市場(chǎng)。

　　在國(guó)內(nèi)，激光材料加工技術(shù)經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷史。經(jīng)過(guò)國(guó)家多個(gè)五年計(jì)劃的攻關(guān)，激光加工設(shè)備從無(wú)到有，輸出功率一步步提高，還有多家單位都具有生產(chǎn)2～10kW CO2激光器系列產(chǎn)品的能力，也可制造千瓦級(jí)以下的YAG固體激光器。但是與國(guó)外相比，光束品質(zhì)較差，元器件可靠性、穩(wěn)定性方面需進(jìn)一步提高。

　　目前，Nd:YAG激光器和CO2激光器的性能進(jìn)一步提高。對(duì)于Nd:YAG激光器，為了克服其在高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)、提高激光器的輸出功率和光束質(zhì)量，發(fā)展了板條、管狀等新型激光器結(jié)構(gòu)形式;另外，光纖傳輸極大地提高了焊接操作的靈活性。與此同時(shí)，CO2激光器由最初的橫流結(jié)構(gòu)改為快速軸流結(jié)構(gòu)，輸出功率極大提高;射頻激勵(lì)和微波激勵(lì)模式的建立減小了CO2激光器的體積，提高了效率和可調(diào)制性。

　　20世紀(jì)90年代，二極管泵浦固體激光器的出現(xiàn)，使激光器的體積大大縮小，光束質(zhì)量高、壽命長(zhǎng)，泵浦效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)燈激勵(lì)方式，是一種很有前途的新型激光加工能源，必將在很大程度上替代現(xiàn)有的激光加工設(shè)備。

　　近年來(lái)，一些新型激光器相繼進(jìn)入激光加工領(lǐng)域(如準(zhǔn)分子激光器、發(fā)射5μm附近激光波長(zhǎng)的CO激光器等)，這將拓展激光焊接設(shè)備的新領(lǐng)域，促進(jìn)激光加工技術(shù)向前發(fā)展。特別是光纖激光器的出現(xiàn)，無(wú)論是束流品質(zhì)還是輸出功率都應(yīng)該說(shuō)是激光加工技術(shù)的一場(chǎng)革命性變化。

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