高能束流加工技术的应用和发展

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高能束流加工技术以高能量密度束流(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、生长和改性。高能束流加工该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。
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　　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。
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! W  t. v( G6 e$ m+ _: f2 J# p　　电子束束流品质主要有2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。
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) m& }1 c. d$ C5 C2 d; Q　　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，通常在束流满量程的情况下，束流稳定度达到±0.25%，高压的稳定度达到±0.25%。
+ N& j# u! W  u3 B! k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。
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8 i; H$ E) h, O: w/ D3 U( R　　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±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。
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　　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，Nd: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CO2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45kW CO2激光器的调试工作，正在开展大厚度(40～50m m)单道焊技术基础研究工作。1994年和1996年，日本的Kinki先进材料加工研究所和日本钢铁公司也先后完成了45kW CO2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4k W的商品化设备已推向市场。
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　　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2～10kW CO2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。
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' ^) }& E. T6 E2 j1 w　　目前，Nd:YAG激光器和CO2激光器的性能进一步提高。对于Nd: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。
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　　近年来，一些新型激光器相继进入激光加工领域(如准分子激光器、发射5μm附近激光波长的CO激光器等)，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。