陈根余: 用高功率激光加工助力中国智造发展

来源:科学中国人    关键词:高功率激光加工, 激光智能装备, 激光技术,    发布时间:2019-06-13

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1987年5月27日,日本警视厅逮捕了日本东芝机械公司铸造部和机床事业部的两位部长。此前东芝机械公司曾非法向苏联出口高精度数控机床,俩人正是此事的直接责任人。该案就是冷战期间对西方国家安全危害最大的军用敏感高科技走私案件之一——东芝事件。得益于这批高精度数控机床,苏联的潜艇等重工设备的高精度加工水平迅速得到大幅提高,最终扭转了长期受美国海军监听的劣势,赢得了主动,且在相当长一段时间依靠这些进口高端数控机床,也提高了其国防能力。近期以美国为首的西方国家加大对我国“卡脖子”技术的壁垒,敲响了长期以来我国高端核心技术受制于人的警钟。

从中不难看出,机床作为工作母机可被视作一个国家制造业水平的标志,而大型高精度数控加工设备对于任何一个国家来讲都是极其重要的战略物资,不仅关系着工业的现代化程度,更关系着国家安全。而这一事件的发生,也深深触动了当时即将从湖南大学机械制造及其自动化专业毕业的陈根余。从那时起,从事机床研制的志向就在他心里扎下了根。此后的数十年,他都在这一方向矢志不移地学习钻研,从传统冷加工机床跨界到激光技术与高端激光智能装备,从1987年开始做数控磨床到现在领军高功率激光加工高端智能装备,凭借突出的学术水平和敢于跨界的精神,将科研成果及时转化为我国战略和重大重点、量大面广的民生项目的需求,实现了华丽转身,并成为产学研用的典范。

如今,陈根余不仅是湖南大学激光技术与制造装备研究所所长,湖南大学优势学科方向激光智能制造团队的领头人,同时也是大族激光智能装备集团首席科学家、总工程师,是国内高功率激光焊接、切割方面的专家并享受国务院政府特殊津贴。秉承“要实现制造大国向制造强国转变,关键高端制造装备中国不能没有”的执着信念,在国家科技重大专项、国家重点研发计划、原“863”、国家自然科学基金等以及企业项目的支持下,陈根余和他的团队继承和发扬我国高功率激光加工开拓者李力钧教授的遗志,经过30多年的产学研用联合攻关,另辟蹊径,自主创新,直面国外同行攻克不了的难题,破解了诸多世界性的难题,同时打破了该领域诸多国外对我国技术的壁垒,其研发的成果整体处于国内领先国际先进水平,部分处于国际领先水平,为我国高功率激光应用技术的发展注入了强劲的动力。

陈根余在办公室

屡破难题 实现技术领先

激光聚焦后激光能量高度集中(可达每平方厘米1兆瓦以上),是目前热加工综合性能最好的热源。激光深熔焊接是一种先进的焊接技术,与其他焊接方法相比,具有很多优越性, 如深宽比大(可达10),相比传统焊接方法可以单道焊接更厚板材、变形小很多,效率更高、质量更优等。

然而,多年以来,一道难题一直困扰着激光深熔焊接技术的发展。在激光照射金属材料熔化、气化时,在反冲压力的作用下熔池中会形成小孔,激光沿着小孔向下照射,从而可实现深宽比达10的焊缝。但因金属熔池内的小孔“看不见、摸不着”,这就导致人们无法直接测量孔内温度、压力等物理参量,同时对于小孔内能量吸收、多相瞬态耦合行为以及小孔与熔池动态平衡的机理等都尚不完全明白。针对这一世界性的科学难题,陈根余及其团队通过30余年的基础研究,首创了“三明治”激光深熔焊接观测方法,构建直接观测与仿真结合的完整科学研究体系,提出了激光深熔焊接稳定性控制策略。

他们选用两片特殊的玻璃并夹持金属薄片形成“三明治”试件,并将高速摄像机和光谱仪系统分别置于“三明治”试件两侧,最终实现了同步清晰地观测小孔和熔池动态特征、孔内等离子体等光谱信号。借助“三明治”方法,人们可以观测到真实小孔的形状,解决了长期以来困扰激光深熔焊接温度场、流场仿真计算时关于小孔形状假设的难题,建立了能量耦合模型和激光深熔焊接传热传质数学模型,揭示了能量在孔内的吸收机制。基于观测计算得到孔内温度和压力,填补了国际上精确测量这类核心物理参量的空白。

与恩师李力钧教授在自主研发的激光器前合影

欲善其事,先利其器。利用这一方法也为焊接过程稳定控制、焊接缺陷抑制和突破单道激光焊透的厚度极限、工艺优化提高提供了实际指导,譬如:在世界范围内首次实现了单道焊透双面良好成型16mm厚的核电堆芯围筒,核反应堆已经发电5年。这令美国专家感慨道:“原来我们是你们的老师,现在你们是我们的老师。”其理论和技术已指导300余家企业进行了激光焊接工艺优化。

从世界范围来讲,“三明治”观测方法也是迄今为止,能全面研究激光深熔焊接的先进观测方法,学术界同行广泛采用该方法开展科学研究,取得了大量研究成果,该方法为完善激光深熔焊接理论做出基础性贡献。

虽然激光穿透能力强,但是针对单道焊接成形的厚度极限,一直是世界各国研究热点。激光单道焊接13mm以上时“要么不透、一透就漏”,一直是世界级难题。毋庸置疑,相比多层多道填料焊,激光单道焊厚板热输入小,工件热变形小,不存在层间未熔合等系列问题,却极易产生滴漏、塌陷、飞溅、焊不透、驼峰等焊接缺陷,从而加大了焊缝成形的难度。为此陈根余他们迎难而上,集思广益,最终发明了焊接表面羽辉和熔池长度、重力、表面张力、小孔压力、气压平衡的调控方法,研制出运用蒸汽控制、稳定向上电磁力和背面正压等10多种方法,在单道激光穿透焊接中厚板成形技术上取得了重大突破,在厚板方面实现了20mm不锈钢拼接的单道激光穿透焊接双面良好成形应用,领先于业内当时不锈钢13mm的焊接厚度水平。目前在实验室已实现单道焊透30mm,双面良好成形,处于世界领跑水平。

目前,该项中厚板单道高功率激光深熔焊接双面成形技术已在实践中得到成功应用并取得优异成果。同时,凭借这一先进技术也使我国在核聚变、核裂变领域激光深熔焊接处于世界领先水平,而这对于保障国家能源安全具有重要意义。该技术在世界上的首次应用,体现在上海电气核裂变AP1000的16mm厚大尺寸堆芯围筒单道激光焊接中,截至目前该类构件已在海阳和石岛湾核电站实际发电5年。此外,该技术也在世界上率先实现了针对大科学工程国际热核聚变(ITER)的两个应用,其一是核工业西南物理研究院ITER第一臂20mm厚单道焊接,此应用确保我国率先通过ITER半原型认证,在国内外同类构件制造中整体处于领先地位;其二是中国科学院合肥物质科学研究院ITER超导磁体容器20mm厚单道焊接,正是凭借这一应用,我国已成为世界上第一个掌握此项技术的国家。

不同的材料在激光焊接中会有不同的问题,尤其是难焊材料,极易在焊接过程中产生气孔、裂纹,如何避免这些问题产生正是陈根余他们多年以来攻关的重点之一。譬如在双层镀锌板叠焊时,低熔点锌蒸汽极易从中间层通过焊缝逸出而形成气孔。针对这一问题他们发明了有效抑制锌蒸气的气罩,提出添加适量合适的粉末固溶锌蒸汽方法,从而实现了双层镀锌板2mm+2mm扫描远程叠焊,实现良好成形,相较于国内外目前的预留间隙的单镜头焊接,效率大大提高。目前已应用于奔驰天窗等激光远程叠焊批量生产,打破了此前奔驰车激光焊接这类零部件依靠进口的局面。而在针对大马力发动机活塞中碳钢42CrMo单道环形焊接极易产生收弧裂纹及气孔的难题时,他们经过4年的工艺攻关,提出激光—电弧复合焊接方法,通过拉长熔池、降低温度梯度、合理的焊前预热等工艺方案,成功实现10mm厚度42CrMo中碳钢单道优质焊接,优化参数条件下焊缝无气孔和裂纹,实现了中碳钢环焊缝激光焊接的世界级突破。目前,该设备和成套工艺已提供给世界排名第四的滨州渤海活塞厂,焊接的活塞已装车运行。另外还在涡轮增压器件等诸多难焊材料环形焊缝激光焊接领域实现了多项应用和批量生产,为我国量大面广民生领域制造破解难题。

突破封锁 赢得行业尊重

正因大型高端加工设备对一个国家的发展起着至关重要的作用,以致在其设计应用方面出现了技术封锁,譬如热成型件三维五轴激光切割机“卡脖子”的关键部件——360°无限旋转激光加工头。此前该技术全由德国通快、普瑞玛两家公司垄断,我国自“九五”立项以来,由于要解决在有水、气、电、光情况下实现无限旋转等众多难题,在我国一直未能完全突破。

20世纪90年代末,湖南大学开始研究三维五轴联动激光加工技术,此后通过与大族激光公司产学研联合,最终在国内率先取得突破。2009年,陈根余进入大族激光公司,全面负责高功率激光器与高功率激光加工设备、工艺技术研发及针对市场需求提供整体解决方案。他相信“实践出真知,企业是创新的主体”,通过把大学课堂搬到企业,把企业创新带进课堂,实现了产学研用的完美结合,在我国近些年机床行业极端不景气的情况下,不仅使亏损的公司当年就实现盈利,且之后年复合增长率达30%以上,更使得高功率激光加工设备市场国内占有率约40%,一跃成为行业领头羊,成长为亚洲最大、世界前三的激光设备公司。如今在国家工信部、科技部等部委层面,在一批院士及业内行家心目中,大族激光公司已成为机床行业的后起之秀,引领着机床行业的新的发展趋势。

在陈根余的带领下,大族激光公司在国家科技重大专项支持下经过5年6代产品试制,自主研制出360°无限旋转激光加工头关键部件,继而在此基础上成功研制出三维五轴联动激光加工装备,并且形成批量销售,使世界排名第一的德国通快公司对该产品降价30%以上。此次技术壁垒的攻破,向世人展现出陈根余及其团队成员们在科研道路上不惧困难、勇于创新的魄力和决心。最终实现了定位精度±0.015°,重复定位精度0.005°,切割精度达到±0.1mm,使技术参数与德国通快设备水平相当,打破了国外该项技术对我国长达40年的封锁,使我国成为世界上第三个掌握该技术的国家。

在指导360°无限旋转头和三维五轴激光装备研制

2016年李克强总理视察大族激光集团公司时,曾兴致勃勃地询问了该设备的各种参数,陈根余详细向总理介绍了该三维五轴联动激光焊接切割机床,而机床的高精度高性能也得到了总理的连连称赞。同时,该技术成果也赢得了国内业界的肯定与尊重:在2012年激光加工领域10大突出事件评选中,“三维五轴联动激光焊接切割机床”独占鳌头;2018年“大国重器”节目第二季对360°无限旋转加工头进行了专门报道。

与此同时,他们还提出复杂曲面拐角、厚板尖角激光切割“超强脉冲”能量调控方法,通过优化NURBUS拐角拟合算法,以确保拐角尖角不因振动导致失真;开发非线性激光功率曲线软件,可自定义非线性或者多段激光功率曲线灵活处理切割复杂曲线。最终他们解决了激光切割复杂曲面拐角过烧、平面尖角过熔的难题。

此外,陈根余他们还率先研制出激光焊接切割系列关键部件和系列高端成套装备,不仅实现了大批量生产销售,打破垄断,替代了国外产品,其中部分设备还出口至美、德、日等45个国家。湖南大学自1983年,由国内首位激光加工方向留美归国专家李力钧教授组建了专注于高功率激光器,激光焊接切割机理、工艺、装备的研究团队,是国内最早专门开展高功率激光焊接切割方向研究的单位。20世纪80年代中期,学校激光技术团队自主研发出国内第一款万瓦级多模CO2激光器,当时用于哈尔滨化工厂6mm不锈钢焊接。20世纪90年代初期,团队自主研发出千瓦级准封离近单模CO2激光器用于激光切割,销售80余台,致使当时美国PRC激光器直接降价50%。

进口激光器的大幅降价也预示着中国自主研发的激光器具有取而代之的潜力。通过与湖南大学产学研合作,大族激光公司于21世纪初研发轴快流CO2激光器销售800余台,产销量在国产同类产品市场份额最多,并替代美国PRC、德国罗芬等激光器。2013年开始,大族激光公司相继成功研制出系列光纤激光器,成功替代国外同类激光器配备自产切割焊接机。此外大族激光公司还相继在国内首次研制出激光专用的数控系统配备自主研制的光纤激光切割机、激光切割生产线、全自动激光切管机、在线开卷激光切割机等,其中高功率光纤激光切割机产销量实现世界第一,获中国好设计奖等系列荣誉。

再接再厉 百尺竿头更进一步

“中厚板及难焊材料激光焊接与复杂曲面曲线激光切割技术及装备”项目的科研成果,不仅破解了长期以来该领域我国“卡脖子”的存在于激光焊接、切割技术领域的诸多世界性难题,形成了系列核心技术,也引领了国内高功率激光深熔焊接、切割高端装备技术进步,实现了高端制造装备由传统向先进的跨越发展。在取得良好社会效益的同时,该项目也给国内激光应用界带来了显著的经济效益。

陈根余及团队基于“中厚板及难焊材料激光焊接与复杂曲面曲线激光切割技术及装备”项目的科研成果除赢得了国内、国外专家同行们的肯定外,更赢得了市场广泛认同。2016—2018年,大族激光智能装备集团新增销售的焊接切割头、数控系统、激光器等关键部件,以及三维五轴联动焊接切割机、切割生产线与光纤激光切割、焊接机整机等,装备总计直接销售额达57亿元,新增利润4.48亿元。由此,大族激光连续10多年雄踞亚洲榜首,一直保持世界前3位,也为我国在机床行业进入衰退期带来行业新的曙光,在世界上也挽回一点面子。

与湖南大学激光研究所研究生在机械院前合影

值得一提的是,除大族激光公司的激光宏观加工以外,陈根余在激光微细加工领域也已耕耘20多年。其研制的智能化激光修整超硬磨料成形砂轮装备是世界首台自主产权的激光复合自动化修整超硬磨料成形砂轮设备,在国际上奠定了我国激光修整超硬成形砂轮技术和装备的领先地位。

天道酬勤。数十年来,陈根余在激光技术和高端智能制造装备研究与国产化攻关方面,积极推进产学研用结合,在研发出诸多成果的同时,也培养了大批优秀的本科、硕士、博士毕业生和企业优秀工程师。诸多来自行业组织、政府等的肯定与赞誉,正是对他辛勤付出的褒奖。截至目前,陈根余在该领域主持包括国家科技重大专项、重点研发计划专项、原“863”重点项目及国家自然科学基金等20余项,企业项目200余项,主持研发30余类100余种高端智能化激光加工设备,获奖励9项,鉴定科技成果6项。发表论文180余篇(其中SCI/EI100余篇,SCI单篇他引120多次),获授权发明专利40余项,授权其他知识产权60余项。“厚板、难焊材料激光焊接与复杂曲面曲线激光切割核心技术及系列装备”曾获中国机械工业科技进步奖一等奖,“桁架式折叠准封离型切割与焊接用1kW级二氧化碳激光器”曾获湖南省科技进步奖一等奖。

与大族同事庆贺奔驰天窗激光焊接项目获奖

恩格斯曾说:“社会一旦在技术上需要,则这种需要会比十所大学更能把科学推向前进。”如今随着激光应用领域的不断扩大,对于激光焊接、切割的技术要求也日益提高,同时也意味着现有技术仍有继续发展的广阔空间。譬如该项目主要集中在开发高功率激光深熔焊接和切割技术,主要是针对钢铁和铝合金材料深熔单道焊接,而对于20mm以上金属材料焊接采用激光单道一次焊接成形仍存在一定的局限性,项目组近期已经突破30mm的单道焊透成形,试验仍在进行中,不断创新在路上。还可以采用窄间隙多层多道激光填丝或复合焊接等多种手段进一步解决,虽然该项目也开展了部分研究,然而在产业化方面尚处于摸索阶段。

与此同时,在航空航天、轨道车辆、海工船舶制造等核心战略、量大面广领域,由于结构轻量化的发展要求,高强钛合金、异种金属连接、复合材料切割连接等轻质材料的应用将越来越广泛。该项目组也密切围绕社会需要,在上述领域开展了相应基础研究,目前正在开展相关试验。此外,该项目开发的激光切割技术主要针对板厚50mm以下的钢铁及铝合金类材料激光切割,而更大厚板、高反材料激光切割技术也同样有待攻克。

科研道路永无止境,正如陈根余所说:“坚持创新一直在路上,要把创新作为人生第一需要,活到老,学到老,创新到老。”未来,他及团队还将在高功率激光焊接、切割领域继续钻研、突破现有局限,由中国制造向中国创造转变,突破更多核心黑科技。就如当年李克强总理在视察大族激光集团公司时所说的那样:“把中国的传统装备制造业从先进发展到转型升级,使中国装备制造有了新的前景,中国智造大有希望,要在你们手上大放光芒。”