宏观背景(国家发展规划)


在全球化工业4.0的背景下,《中国制造2025》作为我 国实现制造强国战略的第一个十年行动纲领,推动着 中国制造业的转型升级,其中在 高端装备关键领域,明确了“先进焊 接工艺与智能焊接技术装备研发与服务平台”的重点方针。

同时,为落实《国家中 长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和《中国制造2025》等提出的任务,国家重 点研发计划启动实施“增材制造与激光制造”,包括复 杂构件表面的激光精细制造工艺与装备、智能化 增材制造系统平台和大型构件的激光高效清洗装备等重点专项。总体目标是:突破增 材制造与激光制造的基础理论,取得原创性技术成果,超前部 署研发下一代技术;攻克增 材制造的核心元器件和关键工艺技术,研制相 关重点工艺装备;突破激 光制造中的关键技术,研发高 可靠长寿命激光器核心功能部件、国产先进激光器,研制高 端激光制造工艺装备;到2020年,基本形 成我国增材制造与激光制造的技术创新体系与产业体系互动发展的良好局面,促进传 统制造业转型升级,支撑我 国高端制造业发展。


技术背景、投资的 必要性和可能性


1 先进激光焊接技术

光纤激光器与传统的CO2激光器、YAG激光器等相比,在光束质量、使用成 本和柔性加工等方面优势十分明显,作为先进的激光源,必将在 工业应用中发挥重要作用。光纤激 光焊接技术具有熔深大、焊接速度高、间隙适应性宽、焊接变形小、不需真 空环境和无辐射等特点,特别适 合用于大型厚壁构件的制造过程,在厚板 焊接中也显示出特有的优越性。德国、芬兰、意大利 和美国等国家已将激光-电弧复 合焊接技术成功的应用到舰船等大型厚壁构件的实际生产中,实现焊接生产向高效、高质、节能发展,焊接变 形和综合制造成本大幅度降低。

以激光 制造技术在美国海军的应用为例,2009年7月,美国海 军金属加工中心将激光-电弧复 合焊接技术引入DDG-1000 驱逐舰HSLA-80 高强钢 角接接头的焊接中。研究表明激光-电弧复 合焊接可以大幅减少变形,建造每艘船节约60万美金,且节省了装配时间,制造成本节省45%。与此同时,美国海 军造船技术中心(CNST)将激光-电弧复 合焊接技术应用到了涡轮机的焊接之中,涡轮机上80%的零部 件可以使用激光-电弧复 合焊接技术进行连接,制造时间从9个月缩短至5个月。因此,激光-电弧复 合焊接不仅焊接质量满足使用要求,较高的 焊接速度和较低的焊接变形缩短了舰船的建造周期,而且,降低综合制造成本。

我国在舰船、潜艇、油气管 道等大型厚壁构件的生产中采用的焊接技术主要有传统的手工焊、埋弧自 动焊和气体保护焊,存在焊接工序多、效率低、变形大、制造成本高等问题,因此,急需突破高效、高质激光-电弧复合焊接技术,打破国外技术封锁,提升我军建造舰船、潜艇等 大型装备的核心竞争力。


2 超快激 光绿色清洗技术

超快激 光清洗技术的原理就是利用高能密度激光束辐照物体表面,使表面 污染层产生振动、蒸发、烧蚀、甚至气 化等一系列物理化学反应,最终脱离物体表面,达到清洗目的,并且不 会损坏物体本身,提高了 装备金属零件的再制造质量。激光清 洗技术研究起步于上世纪80年代中期,但直到90年代初 期才真正步入工业生产中,在许多 场合逐步取代传统清洗方法,应用越来越广泛。

飞机是 由性质和性能不同的各种部件组合而成的高价值的产品,发动机 作为飞机的核心部件,在清洗 发动机时把安全放在要求的首位。一台飞 机发动机的部件达到132个,零件2万多件,经过长 时间恶劣环境使用后,大量的叶片、涡轮、附件壳体等转动部件、热端部件、燃油系 统的关键零部件由于损伤或到寿而报废。一方面,在维修过程中,大量零部件的旧涂层、表面氧化物、残余漆层、污垢、积碳等需要进行清洗,为零件无损检测、重新涂 覆涂层或漆层做准备;另一方面,在维修过程中,需要对 部分零部件进行再制造,对于报 废或有缺陷的零部件,其失效 的部位往往存在腐蚀、氧化等污染层,或者特殊的涂层,必须采 用不同的前处理技术,对污染 层和原始涂层进行彻底有效的清理,这些是 保证飞机发动机再制造质量的关键工序,否则无 法保证后续再制造的效果和质量。


超快激 光绿色清洗技术主要特点和优势:

1)激光清 洗技术绿色环保。

传统喷砂、化学清 洗方法对环境污染严重,限制了 该方法的应用于推广。激光清洗后的铁锈、氧化层 将转变为细小的固体颗粒,最终通 过吸尘装置进行回收,不会对环境造成污染。而且激 光清洗不需要任何化学试剂,不产生废液。

2)激光清洗效率高、易于实现自动化。

传统手工清洗、机械烤 铲清洗方法不仅效率低、对舰船基体有损伤,而且清 洗过程中产生的微小颗粒对工作人员的身体健康产生严重危害。激光可 以通过光纤进行传输,而且激 光清洗是非接触式清洗,具有很 高的适应性和清洗效率,可以由机器人搭载,精准控制。

3)激光清洗成本低、光洁度好。

激光清 洗设备将电能转化为光能,只需要 电费和常规维护费用,不会引 入其他清洗试剂的成本,研究表明,一架中 型运输机大修脱漆时,需要脱漆剂2.4t。若采用激光清洗技术,将极大 的节约飞机维护成本。此外,相比于传统手工打磨,激光清洗的效率更高,速率提高十倍以上,使得生 产成本大幅度降低。激光清 洗后的表面呈金属光亮,表面光洁度较高。

4)激光清 洗不会影响材料的性能。

激光清 洗采用非接触式清洗方式,清洗过 程不会引入强酸等腐蚀介质,从而避 免了舰船材料被腐蚀的风险。激光清 洗的冷加工特性使得清洗过程对材料的热输入非常小,不影响材料性能。

5)激光清 洗不会二次返锈。

由于化学清洗、超高压 水射流除锈所用的介质含有水,除锈后 的钢板表面比较潮湿,按触空气后,在较短 时间内钢板表面就产生浮锈。称这种 产生浮锈的现象为二次返锈。浮锈的 存在会影响钢板与涂料间的附着力,导致涂料剥离脱落,使钢板产生腐蚀。而激光 清洗无需水等介质,直接利用激光束清洗,不会引 起二次返锈问题。

6)激光清 洗设备方便快捷

设备容易装配,操作方便,具有效率高、机动灵活、容易实 现自动化等特点,适合于去除各种金属、半导体晶片、陶瓷、磁性材料、塑料和 光学部件等材料的表面污染层,并且可 以远距离通过工业电视进行实时监视,或者通 过固体表面反射测量系统来控制清洗效果。

激光清 洗技术已经在国外装备中成功应用,但是国内刚刚起步,尚未有 在我国新型装备,如飞机、航空发动机、舰船等 方面工程应用的报道,相关技术、材料、工艺等正在研究之中。

在经济上,激光清 洗技术不仅简化工序、提高效率,还可以有效节约材料、降低成本,罗罗公 司内部资料显示:激光清 洗技术用于航空发动机、飞机机身壁板、运载火 箭等关键部件的生产与维修制造中,预期年经济效益达到3亿元,社会效益将达到20亿元。在安全上,激光清 洗技术不仅不损伤零件基体材料,也不对 人体健康和环境构成危害。在质量与效率上,激光清 洗技术使得相关零部件的维修质量、效率更高,使用寿命更长。

3 先进激 光增材制造技术(激光3D打印)

增材制 造是依据三维模型数据将材料连接制作成物体的过程,相对于减法制造,它通常 是逐层累加的过程。增材制 造技术集成了数字化技术、制造技术、激光技 术以及新材料技术等多个学科技术,可以直接将CAD 数字模 型快速而精密地制造成三维实体零件,实现真正的“自由制造”。与传统制造技术相比,增材制 造技术具有柔性高、无模具、周期短、不受零 件结构和材料限制等一系列优点,在航天航空、汽车、电子、医疗、军工等 领域得到了广泛应用。增材制 造技术已成为制造业的研究热点,许多国 家包括中国都对其展开了大量深入的研究,欧美更 有专家认为这项技术代表着制造业发展的新趋势,被誉为有望成为“第三次工业革命”的代表性技术。

激光增 材制造技术是一种以激光为能量源的增材制造技术,激光具 有能量密度高的特点,可实现 难加工金属的制造,比如航 空航天领域采用的钛合金、高温合金等,同时激 光增材制造技术还具有不受零件结构限制的优点,可用于结构复杂、难加工 以及薄壁零件的加工制造。目前,激光增 材制造技术所应用的材料已涵盖钛合金、高温合金、铁基合金、铝合金、难熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等,在航空 航天领域中高性能复杂构件和生物制造领域中多孔复杂结构制造具有显著优势。

在应用方面,美国GE 公司将在LEAP 喷气发动机中采用SLM 制造燃油喷嘴。每台发动机预计19 个燃油喷嘴。GE 公司在 未来三年内预计每年生产25000 个燃油喷嘴,共计约10 万个燃油喷嘴。美国NASA 马歇尔 航天飞行中心的科学家和工程师们于2012 年采用 激光选区熔化成形技术制造了复杂结构金属零部件样件,用于“太空发射系统”重型运载火箭。NASA认为这 项技术可以极大地降低制造零件所需的时间,在一些 情况下甚至将制造时间从数月降低至数周,提高了经济可承受性。由于不 再需要把零部件焊接到一起,其结构强度得到提高,变得更加可靠,使整体火箭更加安全。英国的罗·罗(Rolls·Royce)公司利 用激光金属直接成形技术,来生产TrentXWB-97(涡轮风扇系列发动机)。北京航 空航天大学的王华明团队也利用激光金属直接成形技术制造出了大型飞机钛合金主承力构件加强框,并获得 了国家技术发明一等奖。西安交通大学在国家“973 项目”的资助下,展开了 利用激光金属直接成形技术制造空心涡轮叶片方面的研究,并成功 制备出了具有复杂结构的空心涡轮叶片。


4 激光制 造质量检测技术

在焊接领域,焊接结 构的质量状况对于特种设备的安全服役至关重要,因而焊 接结构的无损检测技术在现代工业检测领域中有着举足轻重的意义。随着3D打印,激光清 洗等技术的发展,无损检 测在工业中的应用更加广泛。公司在 致力于开发激光焊接、激光清洗、增材制 造等技术与装备的同时,也提供 各种先进的无损检测设备及咨询服务。针对传 统的无损检测方法的一些缺陷,例如渗 透检测需要将染料或着色剂去除的后续处理,采用先进的检测技术,使检测 的过程更加简便,检测结果也更直观(如缺陷的位置、大小等),以方便客户进行快速、直观、可靠的现场检测。公司可根据客户需求,为客户 提供专业的解决方案。

1 Alternating Current Field Measurement (ACFM)

ACFM技术是 一种可用于探测金属产品及焊接件表面裂纹的电磁技术。ACFM 探针在 测试样品局部引入一个电场。当有缺陷存在时,电场会 受到干扰并且以图像的形式呈现给测试人员。从图像 上很容易确定缺陷的起始位置,从而确 定缺陷的位置和大小。ACFM技术可 以应用在有涂层的产品表面检测,与磁粉检测、渗透检 测等技术相比更有优势。


ACFM技术优势:

1) 应用广泛,可用于 多种金属的基材和焊接件

2) 复杂环境下的应用,如高温表面、水下等

3) 提供缺 陷的深度和长度信息

4) 小于25mm缺陷尺寸的精准测量

5) 样品要求不高,可用于有涂层的产品

6) 缺陷尺寸结果直观,报告易读取

ACFM技术的应用:

1) 疲劳裂纹检测及测量

2) 焊缝缺陷检测

3) 管道、容器的腐蚀及开裂

2 Phased Array Ultrasonic Testing

超声波 探伤广泛应用于实验室和现场产品缺陷检测。相控阵超声波检测(Phased Array Ultrasonic Testing)是无损 检测里面的一个重要手段,检测结 果的呈现方式多样,包括A-scan、B-scan、C-scan等模式。超声波 探伤的数据采集与处理非常重要。


基于全 聚焦成像技术或全矩阵捕捉技术的相控阵超声波检测仪具有以下优势:

1) 适用于所有材料

2) 精确度高、可靠性好、分辨率高

3) 待测样 品只需一个表面可供检测即可

4) 全聚焦图像,实时检测

5) 设置简单,检测结果直观易懂

6) 便携式设备

相控阵 超声波检测的应用

1) 焊接质量检验

2) 裂纹检测,可用于激光熔覆、3D打印领域

3 Portable Digital Radiography(DR)

DR技术是直接将X射线成 像直接显示在电脑屏幕上的先进检测手段。入射X射线被转换成电信号,再通过 传感器转换成图像。但是大型的X射线设 备无法满足在线检测的需求,便携式 设备更能满足工业界对于在线检测的要求。


DR技术的优势:

1) 可用于 所有材料的检测

2) 检测速度快

3) 分辨率高

4) 便携式设备,可在复杂环境下使用

DR技术的应用:

1) 焊接、熔覆质量检测

2) 腐蚀状况在线检测

3) 航空产品质量检测

4 表面洁净度检测设备 – SITA cleanliness measurement system

在化学 清洗或者激光清洗技术中,被清洗 样品表面的洁净度是清洗质量的重要指标。因而,表面洁 净度的检测就成为激光清洗等先进清洗技术中亟需解决的问题。利用荧 光效应对表面洁净度进行检测的设备已经成为快速准确的检测首选。SITA CleanoSpector是SITA Process Solutions提供的 一款非接触便携式表面洁净度测试仪。该设备具有操作简单、快速、可靠的优点。自动校准,表面洁 净度以百分比的形式即时显示。存储数 据亦可导入电脑用专用软件进行处理。对油脂、残留清 洗剂等任何具有荧光效应的表面污染物都很敏感。

综上所述,对于先 进激光智能焊接技术、超快激 光绿色清洗技术部、先进激 光增材制造和激光制造质量检测等技术,从国家战略、发展规 划层面和该技术的应用现状都体现了投资先进激光智能化制造技术的必要性和可能性。

业务发展

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