特种加工技术发展现状与展望
摘要：特种加工技术在国际上被称为21世纪的技术，对新型武器装备的研制和生产，起到举足轻重的作用。本文分别从激光加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子加工技术、电加工技术几方面介绍了国外的发展现状，同时提出了国内相应领域的技术发展方向。
关键词：特种加工；高能束流；激光技术；发展趋势
特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法。本文所述的特种加工技术主要是指激光加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子加工技术和电加工技术等。
随着新型武器装备的发展，国内外对特种加工技术的需求日益迫切。不论飞机、导弹，还是其它作战平台都要求降低结构重量，提高飞行速度，增大航程，降低燃油消耗，达到战技性能高、结构寿命长、经济可承受性好。为此，上述武器系统和作战平台都要求采用整体结构、轻量化结构、先进冷却结构等新型结构，以及钛合金、复合材料、粉末材料、金属间化合物等新材料。
为此，需要采用特种加工技术，以解决武器装备制造中用常规加工方法无法实现的加工难题，所以特种加工技术的主要应用领域是：
难加工材料，如钛合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料。
难加工零件，如复杂零件三维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工。
低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。
以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工。
1 激光加工技术
国外激光加工设备和工艺发展迅速，现已拥有100kW的大功率CO2激光器、kW级高光束质量的Nd:YAG固体激光器，有的可配上光导纤维进行多工位、远距离工作。激光加工设备功率大、自动化程度高，已普遍采用CNC控制、多坐标联动，并装有激光功率监控、自动聚焦、工业电视显示等辅助系统。
激光制孔的最小孔径已达0.002mm，已成功地应用自动化六坐标激光制孔专用设备加工航空发动机涡轮叶片、燃烧室气膜孔，达到无再铸层、无微裂纹的效果。
激光切割适用于由耐热合金、钛合金、复合材料制成的零件。目前薄材切割速度可达15m/min，切缝窄，一般在0.1～1mm之间，热影响区只有切缝宽的10%～20%，最大切割厚度可达45mm，已广泛应用于飞机三维蒙皮、框架、舰船船身板架、直升机旋翼、发动机燃烧室等。
激光焊接薄板已相当普遍，大部分用于汽车工业、宇航和仪表工业。激光精微焊接技术已成为航空电子设备、高精密机械设备中微型件封装结点的微型连接的重要手段。
激光表面强化、表面重熔、合金化、非晶化处理技术应用越来越广，激光微细加工在电子、生物、医疗工程方面的应用已成为无可替代的特种加工技术。
激光快速成型技术已从研究开发阶段发展到实际应用阶段，已显示出广阔的应用前景。
国内70年代初已开始进行激光加工的应用研究，但发展速度缓慢。在激光制孔、激光热处理、焊接等方面虽有一定的应用，但质量不稳定。目前已研制出具有光纤传输的固体激光加工系统，并实现光纤耦合三光束的同步焊接和石英表芯的激光焊接。完成了激光烧结快速成型原理样机研制，并采用环氧聚脂和树脂砂烧结粉末材料，快速成型出典型零件，如叶轮、齿轮。
激光加工技术今后几年应结合已取得的预研成果，针对需求，重点开展无缺陷气膜小孔的激光加工及实时检控技术、高强铝(含铝锂、铝镁)合金的激光焊接技术、金属零件的激光粉末烧结快速成型技术、激光精密加工及重要构件的激光冲击强化等项目的研究。实现高温涡轮发动机气膜孔无缺陷加工，可使叶片使用寿命达2000小时以上；以焊代替数控加工飞机次承力构件，以及带筋壁板的以焊代铆；实现重要零部件的表面强化，提高安全性、可靠性等，从而使先进的激光制造技术在军事工业中发挥更大的作用。
2 电子束加工技术
电子束加工技术在国际上日趋成熟，应用范围广。国外定型生产的40kV～300kV的电子枪(以60kV、150kV为主)，已普遍采用CNC控制，多坐标联动，自动化程度高。电子束焊接已成功地应用在特种材料、异种材料、空间复杂曲线、变截面焊接等方面。目前正在研究焊缝自动跟踪、填丝焊接、非真空焊接等，最大焊接熔深可达300mm，焊缝深宽比20：1。电子束焊已用于运载火箭、航天飞机等主承力构件大型结构的组合焊接，以及飞机梁、框、起落架部件、发动机整体转子、机匣、功率轴等重要结构件和核动力装置压力容器的制造。如：F-22战斗机采用先进的电子束焊接，减轻了飞机重量，提高了整机的性能；“苏-27”及其它系列飞机中的大量承力构件，如起落架、承力隔框等，均采用了高压电子束焊接技术。
国内多种型号的飞机及发动机和多种型号的导弹壳体、油箱、尾喷管等结构件均已采用了电子束焊接。因此，电子束焊接技术的应用越来越广泛，对电子束焊接设备的需求量也越来越大。
国外的电子束焊机，以德国、美国、法国、乌克兰等为代表，已达到了工程化生产。其特点是采用变频电源，设备的体积、噪声、高压性能等方面都有很大提高；在控制系统方面，运用了先进的计算机技术，采用了先进的CNC及PLC技术，使设备的控制更可靠，操作更简便、直观。
国外真空电子束物理气相沉积技术，已用于航空发动机涡轮叶片高温防腐隔热陶瓷涂层，提高了涂层的抗热冲击性能及寿命。电子束刻蚀、电子束辐照固化树脂基复合材料技术正处于研究阶段。
电子束加工技术今后应积极拓展专业领域，紧密跟踪国际先进技术的发展，针对需求，重点开展电子束物理气相沉积关键技术研究、主承力结构件电子束焊接研究、电子束辐照固化技术研究、电子束焊机关键技术研究等。
3 离子束及等离子体加工技术
表面功能涂层具有高硬度、耐磨、抗蚀功能，可显著提高零件的寿命，在工业上具有广泛用途。
美国及欧洲国家目前多数用微波ECR等离子体源来制备各种功能涂层。等离子体热喷涂技术已经进入工程化应用，已广泛应用在航空、航天、船舶等领域的产品关键零部件耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护层等方面。
等离子焊接已成功应用于18mm铝合金的储箱焊接。配有机器人和焊缝跟踪系统的等离子体焊在空间复杂焊缝的焊接也已实用化。微束等离子体焊在精密零部件的焊接中应用广泛。我国等离子体喷涂已应用于武器装备的研制，主要用于耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护涂层等。
真空等离子体喷涂技术和全方位离子注入技术已开始研究，与国外尚有较大差距。等离子体焊接在生产中虽有应用，但焊接质量不稳定。
离子束及等离子体加工技术今后应结合已取得的成果，针对需求，重点开展热障涂层及离子注入表面改性的新技术研究，同时，在已取得初步成果的基础上，进一步开展等离子体焊接技术研究。
4 电加工技术
国外电解加工应用较广，除叶片和整体叶轮外已扩大到机匣、盘环零件和深小孔加工，用电解加工可加工出高精度金属反射镜面。目前电解加工机床最大容量已达到5万安培，并已实现CNC控制和多参数自适应控制。电火花加工气膜孔采用多通道、纳秒级超高频脉冲电源和多电极同时加工的专用设备，加工效率2～3秒/孔，表面粗糙度Ra0.4μm，通用高档电火花成型及线切割已能提供微米级加工精度，可加工3μm的微细轴和5μm的孔。精密脉冲电解技术已达10μm左右。电解与电火花复合加工，电解磨削、电火花磨削已用于生产。
根据上述现状，今后特种加工技术的发展方向应是：
(1)不断改进、提高高能束源品质，并向大功率、高可靠性方向发展。
(2)高能束流加工设备向多功能、精密化和智能化方向发展，力求达到标准化、系列化和模块化的目的。扩大应用范围，向复合加工方向发展。
(3)不断推进高能束流加工新技术、新工艺、新设备的工程化和产业化工作。
为实现以上发展目标，必须开展下列加工工艺的技术研究：
(1)激光加工技术
无再铸层、无微裂纹涡轮叶片气膜孔激光高效加工技术研究；
铝合金、超强钢、钛合金、异种材料构件以及大型空间曲面零件的激光焊接工艺研究；
三维激光切割工艺规范及表面质量控制技术和在线测量控制技术研究；
提高高温合金、铝合金等重要部件抗疲劳性能的激光冲击技术研究；
激光快速成型技术研究；
大功率激光熔覆陶瓷涂层的工艺以及涂层组织结构和性能的研究。
(2)电子束加工技术
150kV、15kW高压电子枪及高压电源的技术研究；
电子束物理气相沉积技术的研究；
大厚度变截面钛合金的电子束焊接技术研究及质量评定；
典型复合材料飞机构件的电子束固化工艺研究及其工程化研究；
多功能电子束加工技术研究。
(3)离子束和等离子体加工技术
复杂零件“保形”离子注入与混合沉积技术研究，获得高密度等离子体方法研究；
空间结构焊接工艺参数自适应控制及焊缝自动跟踪系统研究，以及等离子弧焊过程中变形控制技术研究；
等离子喷涂陶瓷热障涂层结构、工艺及工程化研究；
层流湍流自动转换技术及轴向送粉、三维喷涂技术研究；
层流等离子体喷涂系统的研制及其喷涂技术的研究。
(4)电加工技术
高品质深小孔电液束加工技术研究；
高效、优质照相电解加工群孔技术研究；
多轴、多通道电火花加工群孔、异形孔技术研究；
大容量(5000A及以上)精密电解加工技术研究；
电解—电火花复合加工技术研究。
研究上述技术的关键在于：提高高能束流的品质；开展特种加工过程的自动控制及计算机建模、仿真技术的研究；新材料加工特性研究；特种加工设备的研究等。
2 从原理上说，激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。本文综合评述了激光制造系统的发展以及激光制造技术在现代产业中的地位。在分析国外研究动向的基础上，指出激光制造技术的发展趋势将重点定位在微结构、微刻蚀、微工具以及多功能性微技术、微工程的研究与开发上。可以预测，三维微纳尺度的激光微制造技术必将成为新世纪的主流制造技术。
前 言
自1960年第一台激光器问世以来，激光的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。其高相干性在高精密测量、物质结构分析、信息存储及通信等领域得到了广泛应用。激光的高单色性，可在光化学领域对一些相距很近的能级作选择激发，进行重金属的同位素分离；激光的高方向性和高亮度可广泛应用于加工制造业（大到航天器、飞机、汽车工业，小到微电子、信息、生物细胞分离等微技术）。随着激光器件、新型受激辐射光源，以及相应工艺的不断革新与优化，尤其是近20年来，激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或改造某些传统的加工行业。
激光制造技术包含两方面的内容，一是制造激光光源的技术，二是利用激光作为工具的制造技术。前者为制造业提供性能优良、稳定可靠的激光器以及加工系统，后者利用前者进行各种加工和制造，为激光系统的不断发展提供广阔的应用空间。两者是激光制造技术中不可或缺的环节，不可偏废。激光制造技术具有许多传统制造技术所没有的优势，是一种符合可持续发展战略的绿色制造技术。例如，材料浪费少，在大规模生产中制造成本低；根据生产流程进行编程控制（自动化），在大规模制造中生产效率高；可接近或达到“冷”加工状态，实现常规技术不能执行的高精密制造；对加工对象的适应性强，且不受电磁干扰，对制造工具和生产环境的要求低；噪声低，不产生任何有害的射线与残剩，生产过程对环境的污染小等等。因此，为适应21世纪高新技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。可以预言，激光制造技术必将以其无可替代的优势成为21世纪迅速普及的高新技术。
1 激光制造系统发展
用于制造业中的激光系统即激光制造系统，一般由激光器、激光传输系统、激光聚焦系统、控制系统、运动系统、传感与检测系统组成，其核心为激光器。
激光作为热源或光源（能量）是激光制造中的“刀具”或“工具”。该“刀具”或“工具”的质量直接影响着加工制造的结果。激光光束质量的好坏可以采用光束远场发散角、光束聚焦特征参数值Kf和衍射极限倍因子M2(M)或光束传输因子K值来表示。对小功率激光器，工作物质均匀稳定，一般可以实现基模输出，其光束横截面能量分布为高斯分布，且在传输过程中保持不变，光束质量较好；对于大功率激光器，一般不易得到基模输出，输出的往往为多模激光束，激光光束质量变差（如图1）。目前工业上常用的大功率激光器有CO2激光器和YAG激光器两种。大功率激光器的工业应用领域很广，激光切割、激光焊接都需要优良的光束质量，而追求高光束质量的大功率激光是工业用激光器不断发展的目标。
从1964年第一台CO2激光器出现到现在，经过近四十年的发展，从封离式CO2激光器、慢速轴流CO2激光器、横流CO2激光器，到高频罗兹泵型快速轴流、射频turbo型快速轴流以至目前出现的扩散型Slab CO2激光器的发展中可以看到,一方面激光输出功率不断提高，体积不断缩小，另一方面激光器的效率不断提高，光束质量越来越好。扩散型Slab CO2激光器光束横截面上光强分布接近高斯分布（如图2），具有极好的光束质量，在加大的激光加工工作区焦点的漂移很小，非常有利于大范围激光传输与聚集，这对大尺寸工件的切割应用非常重要。
工业用固体YAG激光器也经历了从小功率灯泵浦（棒状）、灯泵浦（板条）、双灯泵浦（多棒）到光纤泵浦（棒状）、半导体泵浦（棒状）和片状固体激光器的过程。由于受工作物质热物理性质的制约，YAG激光光束质量模式相对较差。如何提高光束质量和激光功率，仍是YAG激光器面临的主要问题。
值得注意的是近年来发展起来的半导体激光器。半导体激光器具有小型化、频率极高、与光纤良好耦合、易于调制等优良特性，因而具有广阔的应用前景。
要在不同产业中广泛应用激光制造技术，很大程度上要依赖于激光加工系统的性能与工艺。欧、美、日一些国家在新光源、加工系统及工艺等方面的研究与开发就从未降温过。随着激光工作物质的研究与开发、器件与单元技术的改进和创新，以高性能、宽波段、大功率为特征的激光取得了蓬勃的发展，如紫外光输出的KrF、ArF准分子激光器、倍频激光器等。尤其是高功率光纤激光的出现，使激光制造的移动式定位加工变得更加便利。
2 激光制造技术应用
激光制造技术与传统的制造技术相比，其突出的优势主要体现在以下几个方面：
（1）特种材料特殊要求的加工
激光焊接与大多数传统的焊接方法相比具有突出的优点。激光能量的高度集中和加热、冷却过程的极其迅速，可破坏一些难熔金属表面的应力阈值，或使高导热系数和高熔点金属快速熔化，完成某些特种金属或合金材料的焊接，而且在激光焊接过程中无机械接触，容易保证焊接部位不因热压缩而变形，还排除了无关物质落入焊接部位的可能；如果采用大焦深的激光系统，还可实现特殊场合下的焊接，比如，由软件控制的需隔离的远距离在线焊接、高精密防污染的真空环境焊接等；在不发生材料表面蒸发的情况下可熔化最大数量的物质，达到高质量的焊接。以上特点是传统的焊接工具与方法很难或完全不能做到的。目前，在汽车、国防、航空航天等一些特殊行业，已普遍采用激光焊接技术2。例如欧洲一些国家，对高档汽车车壳与底座、飞机机翼、航天器机身等一些特种材料的焊接，激光的应用已基本取代了传统的焊接工具和方法。
（2）特殊精度的加工制造
这里指的高精度除通常意义下的精确定位外，主要还体现在材料内部热传导效应量级上的控制。激光的显著特点之一，就是可采取连续和脉冲方式输出。以固体的钻孔与切割为例，激光能量高度集中，以及加热、冷却速度快的特点可实现传统技术达到的普遍要求，加工属热化学过程。这里要突出的是，通过脉冲式激光辐射可达到接近“冷”加工的光化学动力过程。一方面选择脉冲的时间宽度，使得材料内的热传导过程和热化学反应来不及发生；另一方面通过控制激光的功率密度和脉冲计数，按要求达到确定的去除深度，从而实现高精度的“线”切割和“点”钻孔加工。欧美一些国家在许多特殊要求的领域和产业中已普遍采用这种脉冲光制造技术。
（3）微细加工制造
激光微细加工技术最成功的应用是在20世纪后半叶发展起来的微电子学领域。激光微细加工作为微电子集成工艺中的单元微加工技术之一，现已形成固定模式并投入规模化生产中。除此之外，能突显其优势的领域还有精密光学仪器的制造、高密度信息的写入存储、生物细胞组织的医疗等。选择适当波长的激光，通过各种优化工艺和逼近衍射极限的聚焦系统，获得高质量光束、高稳定性、微小尺寸焦斑的输出。利用其锋芒尖利的“光刀”特性，进行高密微痕的刻制、高密信息的直写；也可利用其光阱的“力”效应，进行微小透明球状物的夹持操作。例如，高精密光栅的刻制（精密光刻）；通过CAD/CAM软件进行仿真图案（或文字）和控制，实现高保真打标；利用光阱的“束缚力”，对生物细胞执行移动操作（生物光镊）。值得一提的是，高密度信息的激光记录和微细机械零部件的光制造。无论是数字记录或是扫描记录，还是图像与文字的模拟记录，激光记录方法(光刻)都具有特别的优势并取得了重要突破，以数字记录为例：①信息记录密度高（107～108bit/cm2以上），刻录槽宽0.7μm、深0.1μm，比磁记录密度提高两个数量级以上；②记录、检索、读出速度快，单波道达50Mbit/s，多波道可达320Mbit/s；信息的检索和读出速度远远小于1秒；③成本低、使用寿命长。在微细机械零部件的光制造方面，最近几年国外已将其列为攻关项目，成为未来高新技术前期研究的热点。日本采用激光技术，制造出微米量级的三维“纳米牛”，这说明日本在微纳量级的三维激光微成型机制上已经取得了巨大的进展。北京工业大学激光工程研究院应用准分子激光，通过掩模方法，已经加工出10齿/50μm和108齿/500μm的微型齿轮。
（4）高效的自动流程加工制造
由于激光输出的可控制性，使激光制造过程能够通过软件实行自动化流程的智能控制。根据生产性质的需要，既可实行加工台的定位控制亦可通过激光的光纤传输实行加工头的机器手定位控制，从而实现高效的自动化、智能化激光制造。比如，汽车车身覆盖件的三维定位切割、车身骨构架的焊接、齿轮盘及其他零部件的焊接加工等，已形成激光加工、组装一条龙的生产线。
图1 激光加工汽车组装生产线示意图
3 激光微制造将成为新世纪高新技术产业的主流技术
诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynman早在50年代末就曾预言，制造技术将沿着从大到小的途径发展，即用大机器制造出小机器，用这种小机器又能制造出更小的机器，并由此在微小尺度领域制造出一代代的批量加工工具。科学技术的革命证实了Feynman的预言。微电子技术的出现就是最有说服力的例子，从集成到大规模集成到超大规模集成技术的迅猛发展中，已经显示出未来的制造技术必将沿着“越来越小”的方向进军。20世纪把电子技术的主要功能高度集成在一起，形成了世纪标志的高技术产业，并渗透到人类活动的各个领域。21世纪则是多门学科的集成技术，即把微电子、微光学、微机械以及传感器、执行器的信号处理单元集成在一起的微纳制造和微系统技术。微纳制造技术与功能微系统将成为21世纪高新技术与产业的里程碑，其发展将使人类在认识和改造自然的能力上达到一个新的高度，导致人类生活和社会物质文明及科学技术的巨大变革。
美国在80年代末就意识到微纳制造技术与微系统研究的紧迫性，强调美国“应该在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面”，并启动了第一个研究计划。进入90年代后，日本也开始实施为期10年、总投资为250亿日元的“微型机械技术”大型研究开发计划。为寻求适应微系统制造的三维结构精细微加工的技术途径，欧共体组织了德国汉诺威激光中心和法国、瑞士、意大利等国的相关科研机构，进行合作开发研究。目前在微纳制造技术上已经形成国际性竞争，已经开始新世纪高技术产业全球市场的争夺战。
目前的研究进展也已经显示，激光微技术是有发展潜力的三维微制造技术，将可能成为微系统制造的主流技术之一。德国国家教研部从2002年开始，出台了为期五年的光学资助计划，其中重要的一项内容就是激光微制造技术的研究。该计划仅2002年的资金投入就是0.478亿欧元，后续几年的投入按一定比例递增。德国采取分解式的单元技术研究，在光的微制造与微纳技术的硬件方面，五年研究规划的目标定位在新的激光光源和超精细聚焦系统上，达到150～0.1nm光谱范围的超紫外输出和能越过衍射极限、分辨率小于100nm的高重复性近场透镜。
微纳光制造及其相关技术，是当前国际竞争的主要领域，微电子产业的规模和技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志之一，激光微技术将在这个领域发挥更大作用。我国在现代光制造发展方面，机遇与挑战并存，我们要抓住机遇，迎接新世纪光制造时代的到来。 (end)
