陳根余: 用高功率激光加工助力中國智造發展

來源:科學中國人    關鍵詞:高功率激光加工, 激光智能裝備, 激光技術,    發布時間:2019-06-13

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1987年5月27日,日本警視廳逮捕了日本東芝機械公司鑄造部和機床事業部的兩位部長。此前東芝機械公司曾非法向蘇聯出口高精度數控機床,倆人正是此事的直接責任人。該案就是冷戰期間對西方國家安全危害最大的軍用敏感高科技走私案件之一——東芝事件。得益于這批高精度數控機床,蘇聯的潛艇等重工設備的高精度加工水平迅速得到大幅提高,最終扭轉了長期受美國海軍監聽的劣勢,贏得了主動,且在相當長一段時間依靠這些進口高端數控機床,也提高了其國防能力。近期以美國為首的西方國家加大對我國“卡脖子”技術的壁壘,敲響了長期以來我國高端核心技術受制于人的警鐘。

從中不難看出,機床作為工作母機可被視作一個國家制造業水平的標志,而大型高精度數控加工設備對于任何一個國家來講都是極其重要的戰略物資,不僅關系著工業的現代化程度,更關系著國家安全。而這一事件的發生,也深深觸動了當時即將從湖南大學機械制造及其自動化專業畢業的陳根余。從那時起,從事機床研制的志向就在他心里扎下了根。此后的數十年,他都在這一方向矢志不移地學習鉆研,從傳統冷加工機床跨界到激光技術與高端激光智能裝備,從1987年開始做數控磨床到現在領軍高功率激光加工高端智能裝備,憑借突出的學術水平和敢于跨界的精神,將科研成果及時轉化為我國戰略和重大重點、量大面廣的民生項目的需求,實現了華麗轉身,并成為產學研用的典范。

如今,陳根余不僅是湖南大學激光技術與制造裝備研究所所長,湖南大學優勢學科方向激光智能制造團隊的領頭人,同時也是大族激光智能裝備集團首席科學家、總工程師,是國內高功率激光焊接、切割方面的專家并享受國務院政府特殊津貼。秉承“要實現制造大國向制造強國轉變,關鍵高端制造裝備中國不能沒有”的執著信念,在國家科技重大專項、國家重點研發計劃、原“863”、國家自然科學基金等以及企業項目的支持下,陳根余和他的團隊繼承和發揚我國高功率激光加工開拓者李力鈞教授的遺志,經過30多年的產學研用聯合攻關,另辟蹊徑,自主創新,直面國外同行攻克不了的難題,破解了諸多世界性的難題,同時打破了該領域諸多國外對我國技術的壁壘,其研發的成果整體處于國內領先國際先進水平,部分處于國際領先水平,為我國高功率激光應用技術的發展注入了強勁的動力。

陳根余在辦公室

屢破難題 實現技術領先

激光聚焦后激光能量高度集中(可達每平方厘米1兆瓦以上),是目前熱加工綜合性能最好的熱源。激光深熔焊接是一種先進的焊接技術,與其他焊接方法相比,具有很多優越性, 如深寬比大(可達10),相比傳統焊接方法可以單道焊接更厚板材、變形小很多,效率更高、質量更優等。

然而,多年以來,一道難題一直困擾著激光深熔焊接技術的發展。在激光照射金屬材料熔化、氣化時,在反沖壓力的作用下熔池中會形成小孔,激光沿著小孔向下照射,從而可實現深寬比達10的焊縫。但因金屬熔池內的小孔“看不見、摸不著”,這就導致人們無法直接測量孔內溫度、壓力等物理參量,同時對于小孔內能量吸收、多相瞬態耦合行為以及小孔與熔池動態平衡的機理等都尚不完全明白。針對這一世界性的科學難題,陳根余及其團隊通過30余年的基礎研究,首創了“三明治”激光深熔焊接觀測方法,構建直接觀測與仿真結合的完整科學研究體系,提出了激光深熔焊接穩定性控制策略。

他們選用兩片特殊的玻璃并夾持金屬薄片形成“三明治”試件,并將高速攝像機和光譜儀系統分別置于“三明治”試件兩側,最終實現了同步清晰地觀測小孔和熔池動態特征、孔內等離子體等光譜信號。借助“三明治”方法,人們可以觀測到真實小孔的形狀,解決了長期以來困擾激光深熔焊接溫度場、流場仿真計算時關于小孔形狀假設的難題,建立了能量耦合模型和激光深熔焊接傳熱傳質數學模型,揭示了能量在孔內的吸收機制。基于觀測計算得到孔內溫度和壓力,填補了國際上精確測量這類核心物理參量的空白。

與恩師李力鈞教授在自主研發的激光器前合影

欲善其事,先利其器。利用這一方法也為焊接過程穩定控制、焊接缺陷抑制和突破單道激光焊透的厚度極限、工藝優化提高提供了實際指導,譬如:在世界范圍內首次實現了單道焊透雙面良好成型16mm厚的核電堆芯圍筒,核反應堆已經發電5年。這令美國專家感慨道:“原來我們是你們的老師,現在你們是我們的老師。”其理論和技術已指導300余家企業進行了激光焊接工藝優化。

從世界范圍來講,“三明治”觀測方法也是迄今為止,能全面研究激光深熔焊接的先進觀測方法,學術界同行廣泛采用該方法開展科學研究,取得了大量研究成果,該方法為完善激光深熔焊接理論做出基礎性貢獻。

雖然激光穿透能力強,但是針對單道焊接成形的厚度極限,一直是世界各國研究熱點。激光單道焊接13mm以上時“要么不透、一透就漏”,一直是世界級難題。毋庸置疑,相比多層多道填料焊,激光單道焊厚板熱輸入小,工件熱變形小,不存在層間未熔合等系列問題,卻極易產生滴漏、塌陷、飛濺、焊不透、駝峰等焊接缺陷,從而加大了焊縫成形的難度。為此陳根余他們迎難而上,集思廣益,最終發明了焊接表面羽輝和熔池長度、重力、表面張力、小孔壓力、氣壓平衡的調控方法,研制出運用蒸汽控制、穩定向上電磁力和背面正壓等10多種方法,在單道激光穿透焊接中厚板成形技術上取得了重大突破,在厚板方面實現了20mm不銹鋼拼接的單道激光穿透焊接雙面良好成形應用,領先于業內當時不銹鋼13mm的焊接厚度水平。目前在實驗室已實現單道焊透30mm,雙面良好成形,處于世界領跑水平。

目前,該項中厚板單道高功率激光深熔焊接雙面成形技術已在實踐中得到成功應用并取得優異成果。同時,憑借這一先進技術也使我國在核聚變、核裂變領域激光深熔焊接處于世界領先水平,而這對于保障國家能源安全具有重要意義。該技術在世界上的首次應用,體現在上海電氣核裂變AP1000的16mm厚大尺寸堆芯圍筒單道激光焊接中,截至目前該類構件已在海陽和石島灣核電站實際發電5年。此外,該技術也在世界上率先實現了針對大科學工程國際熱核聚變(ITER)的兩個應用,其一是核工業西南物理研究院ITER第一臂20mm厚單道焊接,此應用確保我國率先通過ITER半原型認證,在國內外同類構件制造中整體處于領先地位;其二是中國科學院合肥物質科學研究院ITER超導磁體容器20mm厚單道焊接,正是憑借這一應用,我國已成為世界上第一個掌握此項技術的國家。

不同的材料在激光焊接中會有不同的問題,尤其是難焊材料,極易在焊接過程中產生氣孔、裂紋,如何避免這些問題產生正是陳根余他們多年以來攻關的重點之一。譬如在雙層鍍鋅板疊焊時,低熔點鋅蒸汽極易從中間層通過焊縫逸出而形成氣孔。針對這一問題他們發明了有效抑制鋅蒸氣的氣罩,提出添加適量合適的粉末固溶鋅蒸汽方法,從而實現了雙層鍍鋅板2mm+2mm掃描遠程疊焊,實現良好成形,相較于國內外目前的預留間隙的單鏡頭焊接,效率大大提高。目前已應用于奔馳天窗等激光遠程疊焊批量生產,打破了此前奔馳車激光焊接這類零部件依靠進口的局面。而在針對大馬力發動機活塞中碳鋼42CrMo單道環形焊接極易產生收弧裂紋及氣孔的難題時,他們經過4年的工藝攻關,提出激光—電弧復合焊接方法,通過拉長熔池、降低溫度梯度、合理的焊前預熱等工藝方案,成功實現10mm厚度42CrMo中碳鋼單道優質焊接,優化參數條件下焊縫無氣孔和裂紋,實現了中碳鋼環焊縫激光焊接的世界級突破。目前,該設備和成套工藝已提供給世界排名第四的濱州渤海活塞廠,焊接的活塞已裝車運行。另外還在渦輪增壓器件等諸多難焊材料環形焊縫激光焊接領域實現了多項應用和批量生產,為我國量大面廣民生領域制造破解難題。

突破封鎖 贏得行業尊重

正因大型高端加工設備對一個國家的發展起著至關重要的作用,以致在其設計應用方面出現了技術封鎖,譬如熱成型件三維五軸激光切割機“卡脖子”的關鍵部件——360°無限旋轉激光加工頭。此前該技術全由德國通快、普瑞瑪兩家公司壟斷,我國自“九五”立項以來,由于要解決在有水、氣、電、光情況下實現無限旋轉等眾多難題,在我國一直未能完全突破。

20世紀90年代末,湖南大學開始研究三維五軸聯動激光加工技術,此后通過與大族激光公司產學研聯合,最終在國內率先取得突破。2009年,陳根余進入大族激光公司,全面負責高功率激光器與高功率激光加工設備、工藝技術研發及針對市場需求提供整體解決方案。他相信“實踐出真知,企業是創新的主體”,通過把大學課堂搬到企業,把企業創新帶進課堂,實現了產學研用的完美結合,在我國近些年機床行業極端不景氣的情況下,不僅使虧損的公司當年就實現盈利,且之后年復合增長率達30%以上,更使得高功率激光加工設備市場國內占有率約40%,一躍成為行業領頭羊,成長為亞洲最大、世界前三的激光設備公司。如今在國家工信部、科技部等部委層面,在一批院士及業內行家心目中,大族激光公司已成為機床行業的后起之秀,引領著機床行業的新的發展趨勢。

在陳根余的帶領下,大族激光公司在國家科技重大專項支持下經過5年6代產品試制,自主研制出360°無限旋轉激光加工頭關鍵部件,繼而在此基礎上成功研制出三維五軸聯動激光加工裝備,并且形成批量銷售,使世界排名第一的德國通快公司對該產品降價30%以上。此次技術壁壘的攻破,向世人展現出陳根余及其團隊成員們在科研道路上不懼困難、勇于創新的魄力和決心。最終實現了定位精度±0.015°,重復定位精度0.005°,切割精度達到±0.1mm,使技術參數與德國通快設備水平相當,打破了國外該項技術對我國長達40年的封鎖,使我國成為世界上第三個掌握該技術的國家。

在指導360°無限旋轉頭和三維五軸激光裝備研制

2016年李克強總理視察大族激光集團公司時,曾興致勃勃地詢問了該設備的各種參數,陳根余詳細向總理介紹了該三維五軸聯動激光焊接切割機床,而機床的高精度高性能也得到了總理的連連稱贊。同時,該技術成果也贏得了國內業界的肯定與尊重:在2012年激光加工領域10大突出事件評選中,“三維五軸聯動激光焊接切割機床”獨占鰲頭;2018年“大國重器”節目第二季對360°無限旋轉加工頭進行了專門報道。

與此同時,他們還提出復雜曲面拐角、厚板尖角激光切割“超強脈沖”能量調控方法,通過優化NURBUS拐角擬合算法,以確保拐角尖角不因振動導致失真;開發非線性激光功率曲線軟件,可自定義非線性或者多段激光功率曲線靈活處理切割復雜曲線。最終他們解決了激光切割復雜曲面拐角過燒、平面尖角過熔的難題。

此外,陳根余他們還率先研制出激光焊接切割系列關鍵部件和系列高端成套裝備,不僅實現了大批量生產銷售,打破壟斷,替代了國外產品,其中部分設備還出口至美、德、日等45個國家。湖南大學自1983年,由國內首位激光加工方向留美歸國專家李力鈞教授組建了專注于高功率激光器,激光焊接切割機理、工藝、裝備的研究團隊,是國內最早專門開展高功率激光焊接切割方向研究的單位。20世紀80年代中期,學校激光技術團隊自主研發出國內第一款萬瓦級多模CO2激光器,當時用于哈爾濱化工廠6mm不銹鋼焊接。20世紀90年代初期,團隊自主研發出千瓦級準封離近單模CO2激光器用于激光切割,銷售80余臺,致使當時美國PRC激光器直接降價50%。

進口激光器的大幅降價也預示著中國自主研發的激光器具有取而代之的潛力。通過與湖南大學產學研合作,大族激光公司于21世紀初研發軸快流CO2激光器銷售800余臺,產銷量在國產同類產品市場份額最多,并替代美國PRC、德國羅芬等激光器。2013年開始,大族激光公司相繼成功研制出系列光纖激光器,成功替代國外同類激光器配備自產切割焊接機。此外大族激光公司還相繼在國內首次研制出激光專用的數控系統配備自主研制的光纖激光切割機、激光切割生產線、全自動激光切管機、在線開卷激光切割機等,其中高功率光纖激光切割機產銷量實現世界第一,獲中國好設計獎等系列榮譽。

再接再厲 百尺竿頭更進一步

“中厚板及難焊材料激光焊接與復雜曲面曲線激光切割技術及裝備”項目的科研成果,不僅破解了長期以來該領域我國“卡脖子”的存在于激光焊接、切割技術領域的諸多世界性難題,形成了系列核心技術,也引領了國內高功率激光深熔焊接、切割高端裝備技術進步,實現了高端制造裝備由傳統向先進的跨越發展。在取得良好社會效益的同時,該項目也給國內激光應用界帶來了顯著的經濟效益。

陳根余及團隊基于“中厚板及難焊材料激光焊接與復雜曲面曲線激光切割技術及裝備”項目的科研成果除贏得了國內、國外專家同行們的肯定外,更贏得了市場廣泛認同。2016—2018年,大族激光智能裝備集團新增銷售的焊接切割頭、數控系統、激光器等關鍵部件,以及三維五軸聯動焊接切割機、切割生產線與光纖激光切割、焊接機整機等,裝備總計直接銷售額達57億元,新增利潤4.48億元。由此,大族激光連續10多年雄踞亞洲榜首,一直保持世界前3位,也為我國在機床行業進入衰退期帶來行業新的曙光,在世界上也挽回一點面子。

與湖南大學激光研究所研究生在機械院前合影

值得一提的是,除大族激光公司的激光宏觀加工以外,陳根余在激光微細加工領域也已耕耘20多年。其研制的智能化激光修整超硬磨料成形砂輪裝備是世界首臺自主產權的激光復合自動化修整超硬磨料成形砂輪設備,在國際上奠定了我國激光修整超硬成形砂輪技術和裝備的領先地位。

天道酬勤。數十年來,陳根余在激光技術和高端智能制造裝備研究與國產化攻關方面,積極推進產學研用結合,在研發出諸多成果的同時,也培養了大批優秀的本科、碩士、博士畢業生和企業優秀工程師。諸多來自行業組織、政府等的肯定與贊譽,正是對他辛勤付出的褒獎。截至目前,陳根余在該領域主持包括國家科技重大專項、重點研發計劃專項、原“863”重點項目及國家自然科學基金等20余項,企業項目200余項,主持研發30余類100余種高端智能化激光加工設備,獲獎勵9項,鑒定科技成果6項。發表論文180余篇(其中SCI/EI100余篇,SCI單篇他引120多次),獲授權發明專利40余項,授權其他知識產權60余項。“厚板、難焊材料激光焊接與復雜曲面曲線激光切割核心技術及系列裝備”曾獲中國機械工業科技進步獎一等獎,“桁架式折疊準封離型切割與焊接用1kW級二氧化碳激光器”曾獲湖南省科技進步獎一等獎。

與大族同事慶賀奔馳天窗激光焊接項目獲獎

恩格斯曾說:“社會一旦在技術上需要,則這種需要會比十所大學更能把科學推向前進。”如今隨著激光應用領域的不斷擴大,對于激光焊接、切割的技術要求也日益提高,同時也意味著現有技術仍有繼續發展的廣闊空間。譬如該項目主要集中在開發高功率激光深熔焊接和切割技術,主要是針對鋼鐵和鋁合金材料深熔單道焊接,而對于20mm以上金屬材料焊接采用激光單道一次焊接成形仍存在一定的局限性,項目組近期已經突破30mm的單道焊透成形,試驗仍在進行中,不斷創新在路上。還可以采用窄間隙多層多道激光填絲或復合焊接等多種手段進一步解決,雖然該項目也開展了部分研究,然而在產業化方面尚處于摸索階段。

與此同時,在航空航天、軌道車輛、海工船舶制造等核心戰略、量大面廣領域,由于結構輕量化的發展要求,高強鈦合金、異種金屬連接、復合材料切割連接等輕質材料的應用將越來越廣泛。該項目組也密切圍繞社會需要,在上述領域開展了相應基礎研究,目前正在開展相關試驗。此外,該項目開發的激光切割技術主要針對板厚50mm以下的鋼鐵及鋁合金類材料激光切割,而更大厚板、高反材料激光切割技術也同樣有待攻克。

科研道路永無止境,正如陳根余所說:“堅持創新一直在路上,要把創新作為人生第一需要,活到老,學到老,創新到老。”未來,他及團隊還將在高功率激光焊接、切割領域繼續鉆研、突破現有局限,由中國制造向中國創造轉變,突破更多核心黑科技。就如當年李克強總理在視察大族激光集團公司時所說的那樣:“把中國的傳統裝備制造業從先進發展到轉型升級,使中國裝備制造有了新的前景,中國智造大有希望,要在你們手上大放光芒。”

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