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    行業動態

    激光加工拉開中國高端制造業發展大幕

    添加時間:2017-06-29 11:48:29   瀏覽次數: 次    【 】   打印   關閉窗口

    在很多加工實踐中,科研人員經常會發現:一些重要的機械設備的零部件,用同樣的金屬材料打造成同樣的形狀和尺寸,為什么性能卻無法達到甚至超越先進發達國家同類產品。這個“謎”一般的現象困擾著中國的學者,也成了制約中國高端裝備制造業發展的一大瓶頸。在一批科學家和工程技術人員持之以恒的努力下,這一難解之迷已經被成功破解,激光加工技術的導入,已經讓中國高端裝備制造業發展大幕徐徐拉開——
    在張光鈞教授的名字中帶有一個“光”字,許是命運的安排,張光鈞的人生注定與激光結緣。整整30年,他堅守在激光表面處理技術的科研第一線,帶領學科團隊與一批科學家們相互支持、并肩作戰,愣是啃下了中國高端加工制造業的一個主要短板。
    激光,是人類智慧的產物,它是20世紀以來,繼原子能、計算機、半導體之后人類的又一重大發明。激光可以產生高強密度的能量,一柄能源利劍在科技的發展中自然而然地交到了人類手中,而它也對傳統加工制造業進行了革命性的變革。激光加工已經成為了繼手工加工、機械加工、電加工模式后引領潮流的加工模式。
    激光加工的秘密,國外同行一直是秘而不宣,國內該領域的關注度也不夠。誰也未曾料到這一技術背后的潛在價值:采用傳統加工工藝加工好的金屬零部件經過一定波長、功率密度和掃描速度的激光輻照,就能提高材料的強度,明顯延長使用壽命。出現了小裂縫的金屬零部件照一照高強激光,在惡劣的環境中,裂縫也不會再擴展,安全系數大為提升。
    作為中國激光表面處理技術的開拓者、實踐者和見證者之一,手捧上海市高強激光加工產學研聯盟成立的文件和未來實施的方案,張光鈞教授的眼眸中充滿著欣喜,已過花甲之年的他注定將要迎來人生事業的一個高峰。
    在機緣巧合中戀上“激光”
    1976年粉碎四人幫后,作為文革前最后一批上海交大冶金系金相專業畢業的大學生,張光鈞被上海交大點名從上鋼三廠調回高校從事科研工作。一次偶然機會,張光鈞在上海展覽中心看科技展覽,接觸到激光,那是醍醐灌頂式的觸動。光能是最易引導和成形的能量形式之一,這種能量形式傳遞的信號噪聲很小,可從獨特的窗口進入自動化和智能化的操作……在對激光科技深入思考時,張光鈞的思緒又慢慢飄向了當年接受工農兵再教育在上鋼三廠做爐前工的3載歲月,張光鈞被安排在軋鋼加熱爐車間工作,在那里,鋼錠經過有十多個重油噴口的加熱爐的高溫洗禮,待鋼錠軟化后進入軋制變鋼板的環節。那場面猶如火龍繞月,每天工作下來都是汗流浹背。但細心的張光鈞在工作一段時間后,看出了其中的工藝問題,他提出了改進工藝方案,適當降低爐溫,減少噴油量。意見最終被采納,車間能耗降低,軋制鋼板質量也有了保證,車間溫度也降了下來。但這次工藝改進后,一個想法也經??M繞在張光鈞的心頭,這種高耗能的加熱模式能不能被一種更加節能的方式所替代。
    在一段沉思后,張光鈞猛然意識到,他所苦苦追尋的能量解決方案也許就存在于激光中。漸漸地,他接觸到了國內幾位正在進行早期激光高能熱處理開發的前輩:中國鐵科院李志忠高級工程師,他根據國外資料寫的《激光熱處理》頗具啟發意義。中科院上海光機所的蘇寶嫆研究員,當時交大沒有激光實驗設備,她熱情地邀請張光鈞到所里做實驗。中科院長春光機所的關振中研究員,研發500瓦的玻璃管激光器進行熱處理實驗,為了弄清楚激光器原理,張光鈞也是幾次北上請教學習。為了盡快著手激光熱處理的試驗研究,在有關專家和領導的支持下,他調入上海機械制造工藝研究所。在那里,張光鈞有幸成立了自己的課題組,并配置了1000瓦激光器。
    1983年11月,第三屆國際材料熱處理大會在上海召開,這是改革開放初期少有的在國內召開的國際正式學術年會,經重重評審,張光鈞撰寫的關于激光材料表面改性的論文脫穎而出,成為在大會上宣讀的、也是在本專業領域國際權威學術大會上第1篇涉及激光表面改性的中國學者論文。幾年的科研探索中,他判定產業化道路可能需要一段較長的時間,在原交大分校(現上海工程技術大學)校長俞少羅教授的力邀下,1984年張光鈞辭別了上海機械工藝研究所,又一次走進了象牙塔。他和課題組同事們建起了上海首家千瓦級二氧化碳激光加工科研、中試、教學基地。漸漸地,激光表面處理的神秘面紗被一層層地揭開:能量密度高于1000瓦/cm2才有實用價值,否則激光處理與淬火加熱冷卻的效果差別不大;光功率密度在高于1000000000瓦/cm2情況下,激光會對金屬材料產生巨大的沖擊效應,表面會產生微觀的塑性變形,表面的位錯密度可以大大增加;過去常規強度理論認為的金屬材料無法兼具高耐磨性和高摩擦系數的狀況從激光表面處理技術角度出發,完全行得通……
    奈何產業化之路一波三折
    在多年的科研生涯中,張光鈞先后主要負責完成了38項科研項目。先后以第一完成人獲得國家發明專利授權5項、國家實用新型專利授權3項。迄今以第一作者在國內外公開發表論文47篇,其中32篇次被SEI、EI、ISTP、CSCD等著名引文數據庫收錄。在張光鈞和幾位科研前輩的積極張羅下,中國熱處理學會高能熱處理技術委員會在1984年成立,已舉辦了十屆全國激光熱處理學會年會,全國的同行們有了一個分享研究成果的平臺,可以共同為激光表面處理技術的發展貢獻智慧和力量。
    慢慢地,張光鈞的課題組開始接受企業的技術攻關課題,他們接受了上海電梯廠電梯正弦輪V型槽表面改性等技術攻關委托,在實踐中更加驗證了技術的正確性,同時也根據過程中發現的問題來完善工藝技術。
    1990年,激光表面處理技術得到了上海市政府的關注,在當時蔣以任副市長的推動下,上海激光集團公司掛牌成立。滿以為激光技術產業化的黃金時機來臨,但是現實卻令張光鈞深深失望,由于制度上的因素,大量公司對于新技術推廣和使用的熱情遠遠低于預期。有些企業是合資企業,外方不允許中方涉及核心技術的改進。有些大型制造企業甚至提出:如果零部件壽命過長,那么企業的產量就會下降,工人要下崗。張光鈞的心中五味雜陳。他開始思考激光表面處理產業化背后的推動力。
    作為一個嶄新的材料加工領域,有二個因素決定著領域的發展狀況,一是激光器的成本和質量問題。二是市場的接納度、認知度和實際需求量問題。在過去的許多年中二者的情況都不成熟。
    他毫不氣餒,再一次投入到產學研對接的滾滾洪流中,先后在機械刀片刃口、汽缸體(套)內壁、機床導軌表面、列車減振器上下導向座面等重要零部件的關鍵表面采用激光強化工藝并滿足了企業的技術要求。2005年他獲國務院特殊津貼獎,并三次獲省部級科技獎。
    而此時家里的狀況又讓張光鈞陷入苦惱,在影視公司擔任攝影組長的獨生子,突發腦出血,無法工作,他一下子蒼老下來。整整7年,經歷著內心巨大的煎熬和痛楚,他一邊照顧兒子一邊堅持科研工作。
    終于等到了破蕾綻放時刻
    2013年,對于張光鈞教授而言,是一個花開的年份,年初,他參與了國家高能束材料改性發展路線圖的制定工作,航空航天領域專家趙振業院士作報告,:激光沖擊強化技術在美國先進制造行業已實現產業化,其中飛機發動機經過激光沖擊強化處理,性能明顯提高。這是一個前進的信號!近年來,國內激光器的價格不斷下降,質量不斷提升,國家也開始從戰略角度考慮激光表面處理的前瞻性發展。張光鈞的心情簡直可以用狂喜來形容。此時,在上海交大校長張杰院士的主持下,張光鈞參與到了上海市高強激光加工產學研聯盟和應用示范基地的建設中,激光加工可以使用的范圍真是太廣了,在電子、輕工、工業、醫療器械、汽車、機械制造、冶金、石油化工、核電、航空航天、國防軍工等產業都有著巨大的使用潛力,已經成為世界制造工廠的中國無疑可以憑借這一技術對傳統工業進體行技術改造和升級。在上海工程技術大學校長丁曉東教授的支持下,張光鈞所在的科研團隊正在爭取加入上海高校知識服務平臺,為全社會提供服務,對于市場的反應,張光鈞很有信心,“前不久,浙江余杭裝備制造協會邀請我去進行激光表面改性的講座,現場居然來了上百家科技企業,會后有二十幾家企業找到我,希望合作!”
    如今納入他視野的還有可持續發展的需求,這是一種修復再制造產業,“比如一套價格上百萬的模具有一些損壞,如果就這樣報廢,太可惜,完全可以使用激光處理修復技術加以修復,……”
    老驥伏櫪,張光鈞最近在金屬3D打印領域也有了重大突破,金屬在3D打印中會出現殘余拉應力導致的裂紋,所以一般打印材料都是塑料和高分子材料。而張光鈞添加了特殊的納米材料,并利用先進的造粒技術,正在攻克這一難題,目前進展良好,已經可以實現小體積的金屬3D打印。
    但是這個技術的突破是否也意味著傳統制造行業的革命性變革,以后是不是只需要激光3D金屬打印加上激光沖擊強化技術就能解決機械加工的主要問題……“,對于未來發展趨勢,張光鈞還有著更多的思考,而他的暮年人生也注定會綻放出更璀璨奪目的光彩!

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