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中国先进焊接技术领先世界已应用于航空制造
发布日期:2014-10-31 13:51   

         32年前,一个17岁的农家少年从山西运城来到沈阳工业大学,懵懵懂懂地学起了焊接专业。32年后,2013年6月24日,伦敦。当年那位懵懂少年,经过120多个国家4000多会员单位推荐提名,一路披荆斩棘,站在剑桥大学国王学院讲台,面对来自世界各国的240余名专家的眼光,获颁英国焊接研究所TWI2013年度布鲁克奖,成为继中国工程院院士关桥之后,第二位获得该奖项的华人。

  这是焊接领域的最高学术奖。

  他就是中航工业北京航空制造工程研究所副总工程师,高能束流加工技术重点实验室常务副主任巩水利。

  “他接过了老一辈科研人员的旗帜,斐然的学术成就及超前的眼光,使之成为当代高能束焊掌门人。”所长张军这样点评巩水利。

  激光焊接:站在了国际最前沿

  “当年接到大学录取通知书,一看焊接专业,满脑子想的都是村里的烙铁匠。”一心想学物理的巩水利几乎想放弃,直到坐在课堂,才知道焊接并不简单。

  经巩水利的科普,记者得知,熔化焊接仅热源就有多种变化,从最原始的炉火发展到电弧焊,氧气-乙炔焊,氩弧焊,CO2保护焊等多种,今天,焊接热源又发展到高能量密度的束流,如激光束、电子束、等离子束等。

  高能束流加工技术被誉为“二十一世纪的加工技术”,是当今制造技术发展的前沿领域,并将为材料加工和制造技术带来革命性变化。

  2002年,37岁的巩水利,持焊接专业博士学位,加入这个团队,很快被任命为实验室常务副主任。

  在研究所的大力支撑下,巩水利很快与同事确立了三个重点研究方向,即高能束流焊接与去除技术、高能束流表面工程技术、高能束流增材制造技术。

  一边明确方向,一边招兵买马。

  一批更年轻的才俊陆续加入方兴未艾的高能束流加工技术重点实验室。

  没有设备,便自行研制;没有路径,便无数次摸索试验。

  瞄准国内国外,走出去,请进来。

  如今,当初确立的三个研究方向均取得长足进步:率先实现了大型复杂钛合金结构激光焊接并应用于先进飞行器整体化、轻量化长寿命和高可靠制造,使激光焊接技术站在了世界前沿,达到国际领先水平;在国内率先开展电子束熔丝成型技术研究和大型复杂金属结构激光精密选区成型制造技术研究,并将这两项技术成果首次应用于航空关键结构的制造,使该技术达到国际领先水平;积极开展表面结构功能一体化制造、超快激光制造技术研究等国际前沿技术。更重要的是组建了一支素质优良、结构合理的学术梯队。

  增材制造(3D打印):要干就干最好的

  要干就干最好的。在锁红波眼里,这是巩水利使用频率最多的一句话。

  目前已是增材制造负责人的他,见到记者连说了几个“没想到”。

  锁红波说,七年前开启电子束增材制造前沿技术研究时,目标仅是把其当成技术储备,做一些基础性研究,却没想到,这一技术仅七年就用到航空制造上了;没想到的是,当初若不是巩水利超前的指标要求,今天就无法满足国内航空器制造的要求了;没想到,我国在航空金属结构增材制造技术应用研究方面迅速走在了世界前列。近一两年,一个名词“3D打印”横空出世,风靡世界。这个时髦的热词,学名为“增材制造”。巩水利,则是中国航空金属结构增材制造技术发展的重要推手和见证人。

  实验室里,堆放着一些奇异造型的金属结构件。拿着一块由无数细小“格栅”孔组成的“鼻梁”状构件,巩水利对记者说:“这种复杂结构,靠传统加工方法很难实现。而这就需要‘3D打印’了。”

  实验室设备上的屏幕显示着这样的影像:一层金属粉在激光束扫描下形成复杂的二维图形,旋即又铺上一层金属粉再经过激光扫描熔化,如此周而复始。似CT扫描,把三维立体结构变成二维结构;也像打印,在“纸面”上打印上图案后,铺上一层纸。

  以激光束、电子束、等离子或离子束为热源,加热材料使之结合、直接制造零件的方法,称为高能束流快速制造,是“增材制造”领域的重要分支,多用于工业领域。

  在10年前一次国际学术研讨会上,巩水利发现了“增材制造”技术。具有敏锐嗅觉的他,感觉这必是航空工业未来发展所需的一种制造技术。为保持实验室领先的竞争力,他旋即着手创建这个方向的基础研究。

  “当时很多人根本不知道‘3D打印’是什么东西,人、设备更是无从谈起。”在巩水利的引导下,锁红波在一台老旧电子束焊接设备上,启动了艰难的“增材制造”基础研究。

  彼时,这种尖端前沿技术各国都正在起步。

  2008年,博士毕业的李怀学也加入到实验室,开始启动激光快速成型研究方向。李怀学说,增材制造之所以推动这么快,与巩总果断超前的决策密不可分。“最初做原理样机确定指标时,参考国外250mm规格,大家大胆地制定了280mm规格。报告送给巩总,不仅没得到夸奖,却得来一句话:应该做500mm规格。”

  “做科研不仅要盯最前沿,而且要引领最前沿。如果觉得跨度太大,至少也要定350mm,再低就赶不上技术发展了。”巩水利这番话至今深深印刻在李怀学脑海。

  经历了四年多的艰难探索,第一个大型结构件终于在2012年4月22日制成。

  致力应用:我就是名推销员

  拥有诸多学术头衔的巩水利还是一名优秀“推销员”。“研发的成果必须要尽快用到航空制造上,哪怕是基础预研也要有针对性。这样不仅能紧跟世界前沿技术,还要力推这些技术的快速应用。”这是巩水利的宗旨。

  无论去哪里,巩水利随身带的电脑包里总会装着许多宝贝,即实验室出的实验品,逢人就推介,遇会就展示。他还自豪地说:“我就是名推销员。”

  2010年底,在参加中航工业业务会时,一位设计单位总工程师先容新产品设计,说关键地方出现问题。为保证飞机性能,必须采用大型复杂金属结构,传统制造技术遇到挑战几乎无法实现,一度成为研制的重大技术瓶颈,必须另辟蹊径。针对这一技术难题,巩水利意识到采用增材制造技术能够解决,边掏出包里一个“3D打印”小实验件给那位总工程师看,边说:“大家重点实验室拥有能够解决问题的激光增材制造技术。”

  半年后,这一新技术便实现了工程应用。

  “实际上,巩总对新技术的发展十分敏锐,眼光特别超前。不仅是李怀学的‘格栅’,包括电子束增材制造理念、激光熔丝窄间隙焊等,与巩总的大力推动有很大关系。”实验室支部书记孙梅告诉记者。

  十几年来,在巩水利的指挥下,新的研究方向总是围绕着航空制造装备。新成果实验一出,就被巩水利快速地推销出去。“你在研究,别人也没停步。别人有盾,你就要有矛。所以大家不仅要看得准,更要用得快。”巩水利果敢而坚毅。

  巩水利又把眼光瞄向了高能束流表面工程技术。“这是高能束流加工技术中一个重要的组成部分,这一技术应用可使产品防冰减阻,还可延长装备的使用寿命。”被巩水利任命为这一项目负责人的马国佳,正踌躇满志。

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