高能束流加工技術的應用和發展
作者： 2013年07月22日 來源： 瀏覽量：
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高能束流加工技術以高能量密度束流(電子束、激光、離子束等)為熱源與材料作用，從而實現材料去除、連接、生長和改性。高能束流加工該技術具有獨特的技術優勢，被譽為本世紀先進制造技術之一，受到越來越多的重視，應
高能束流加工技術以高能量密度束流(電子束、激光、離子束等)為熱源與材料作用，從而實現材料去除、連接、生長和改性。高能束流加工該技術具有獨特的技術優勢，被譽為本世紀先進制造技術之一，受到越來越多的重視，應用領域不斷擴大。經過多年的發展，高能束流加工技術已經應用到焊接、表面工程和快速制造等方面，在航空、航天、船舶、兵器、交通、醫療等諸多領域發揮了重要作用。
高能束流束源品質的發展
高能束流加工技術的應用與發展和高能束流束源品質有著密切的關系。隨著科學技術的不斷發展，無論是電子束還是激光束，束流品質越來越好，能量密度、功率等參數越來越高，加工能力和加工質量都有所提高。
電子束束流品質主要有2方面的內涵：一是束流和高壓的穩定性;二是束流的形態和能量分布。前者主要取決于高壓電源及相應控制系統;后者主要取決于電子槍及其電磁聚焦系統。
高壓電源是電子束加工設備的重要組成部分，自20世紀50年代以來，高壓電源的設計及制造技術經歷了3個階段，即工頻變壓器、中頻發電機組、高頻開關式電源。在每個發展階段，高壓電源性能都得到了很大提高，特別是開關式高壓電源，高壓調節范圍更廣，有效功率更高、高壓紋波、設備體積更小。目前，高壓開關電源的各個部分均實現了高頻工作方式，通常在束流滿量程的情況下，束流穩定度達到±0.25%，高壓的穩定度達到±0.25%。襯氟蝶閥
束流形態和能量分布主要取決于電子槍及其所屬的電磁聚焦系統，目前沒有專屬的量化指標，通常可對束流的不同截面進行能量分布的測定，來分析束流形態和能量分布是否良好。目前，電子束流發生裝置(電子槍)技術發展迅速，已經由低壓小功率型發展到高壓大功率型(如表1所示)，大大提升了加工能力和加工質量，同時拓展了電子束加工技術手段。
我國高壓電子束焊接設備的研制開發起步較晚，這主要因為高壓電子束加工設備中的電子槍和高壓電源設計制造技術難度大，測試試驗不易開展。目前，國內開展電子束焊接設備的研究較多，但主要局限于中壓、小功率電子束焊機的研究，高壓、大功率設備的研究相對較少。目前已經解決了大功率高壓電源和高壓電子槍的問題，國防科技重點實驗室對高能束流加工技術進行了系統深入的研究，并取得了一定成果，高壓電源的高壓、束流穩定度均達到了±0.25%，同時也開發了新型電子束能量密度測量裝置，以進行相關電子槍的研究改進。
新型激光器的不斷出現和技術上的不斷改進完善，有力地推動了激光技術在各個領域的應用，特別是20世紀80年代中后期以后，Nd:YAG激光器和CO2激光器的性能進一步提高，輸出功率增大到千瓦和萬瓦級，使得材料的激光加工技術應用范圍進一步擴大，特別是激光焊接技術已由熱傳導焊向深熔焊轉變，焊接機制和原理發生了根本性變化。
在國外，輸出功率在10kW左右的CO2激光加工系統已經成為穩定應用于各工業部門的常規焊接設備。在大功率激光焊接應用方面，法國焊接研究所于1993年安裝并完成了45kW CO2激光器的調試工作，正在開展大厚度(40～50m m)單道焊技術基礎研究工作。1994年和1996年，日本的Kinki先進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，YAG激光焊接系統的輸出功率也有較大提高，輸出功率4k W的商品化設備已推向市場。
在國內，激光材料加工技術經歷了30多年的發展歷史。經過國家多個五年計劃的攻關，激光加工設備從無到有，輸出功率一步步提高，還有多家單位都具有生產2～10kW CO2激光器系列產品的能力，也可制造千瓦級以下的YAG固體激光器。但是與國外相比，光束品質較差，元器件可靠性、穩定性方面需進一步提高。
目前，Nd:YAG激光器和CO2激光器的性能進一步提高。對于Nd:YAG激光器，為了克服其在高功率運轉時嚴重的熱透鏡效應、提高激光器的輸出功率和光束質量，發展了板條、管狀等新型激光器結構形式;另外，光纖傳輸極大地提高了焊接操作的靈活性。與此同時，CO2激光器由最初的橫流結構改為快速軸流結構，輸出功率極大提高;射頻激勵和微波激勵模式的建立減小了CO2激光器的體積，提高了效率和可調制性。
20世紀90年代，二極管泵浦固體激光器的出現，使激光器的體積大大縮小，光束質量高、壽命長，泵浦效率遠遠超過燈激勵方式，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有的激光加工設備。
近年來，一些新型激光器相繼進入激光加工領域(如準分子激光器、發射5μm附近激光波長的CO激光器等)，這將拓展激光焊接設備的新領域，促進激光加工技術向前發展。特別是光纖激光器的出現，無論是束流品質還是輸出功率都應該說是激光加工技術的一場革命性變化。
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