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从几厘米到几十厘米高的弯曲金属板上,布满了一个个带有斜角度的小格子,这种被称为格栅的金属件是飞机上的零件。成品看似简单,制造却不一般3D打印出来。因为它们的弯度和小格子的角度是传统机械加工不能完成的。

【中国展示世界最大军用战机3D打印钛合金零件】

设计并加工出这种特殊零件的是中航工业北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室的一群年轻人,平均年龄30出头,各个专业部门的负责人也都只有三十五六岁。他们完成的一个高420毫米的零件,是世界上至今能够打印的最大钛合金飞机零件。

2013年,巩水利在即将进入知天命之年时站到了焊接领域最高学术奖——布鲁克奖的领奖台上。英国焊接研究所每年从来自120多个国家的4000余会员单位中推荐提名,最终将该奖项授予一位专家,以表彰其在焊接或连接科学技术与工业应用领域做出的卓越贡献。这次获奖不仅是对巩水利及其团队的认可,也是对中航工业推动材料连接技术进步的肯定。

这项被通俗地称为3D打印技术的增材制造技术,是把金属合金粉一层层铺好,用激光按照设计的路线进行高温熔化,使零件一层层被打印出来,一个零件要打印上万层。从10多年前开始涉足这项国际前沿技术,到今天站到了同领域的国际最高点,项目负责人锁红波说,这要归功于实验室的领头人中航工业特种加工技术首席专家巩水利。

焊接也可以搞出名堂来

今年6月,巩水利获得了2013年布鲁克奖,这个被誉为国际焊接界诺贝尔奖的奖项,继9年前授予中国工程院关桥院士后,第二次颁给了中国人。打印钛合金飞机零件的增材制造技术,就脱胎于巩水利所攻克的激光焊接。

1985年,毕业于沈阳工业大学焊接专业的巩水利服从国家分配,奔赴军营,为祖国国防事业贡献了17年的青春。2002年,他来到了中航工业北京航空制造工程研究所,跟随关桥院士,开始从事高能束流加工技术国家级重点实验室的相关工作。

10年前,巩主任让我开始研究这项技术时,我还不太理解,因为当时国外也只是研究阶段,文献很少。这个项目开始时只有锁红波一个人摸索,软件、设备、材料等一切都是零,难度可想而知。锁红波不止一次想放弃,但都被巩水利逼着干下去,巩主任三天两头到实验室来找我要数据。

关桥院士是“低应力无变形焊接”理论的创始人,2004年成为第一个获得布鲁克奖章的中国人。关院士治学严谨,对巩水利的要求极为严格,但也经常表达对爱将的赞赏,说他真正继承了老一辈科研工作者的精神。时隔9年后,近80高龄的关院士亲自陪同爱将来到英国领取布鲁克奖章。在剑桥大学国王学院的宴会厅里,关院士欣慰地看着巩水利向世界介绍中国高能束流焊接技术的进展。

365bet开户,试验慢慢做起来,有些试验只要一开机,就要连续上百个小时做下去,这种时候锁红波就会泡在实验室。试验失败是常态,有时一个环节出问题,整个加工件就会报废。巩水利说:如果都成功了,还要研究所干什么。

巩水利英语基础好,时时关注国际上焊接技术的发展动态,为单位搭建了国际交流与合作的平台。在这过程中,他牢牢地掌握着未来科技发展方向,凭借敏锐的洞察力,总是能够捕捉到科技创新点。

2009年9月13日,锁红波清楚地记得这一天,经过3天3夜的连续工作试验,第一个零件被打印出来了。

2003年,国外实现了A318铝合金下壁板结构双光束C02激光填丝焊和YAG激光填丝焊,它代替传统铆结构减轻了飞机机身重量的20%,同时也节约了20%的成本。巩水利认定激光焊接技术将对我国传统航空制造业改造升级产生重大意义。随后他立即申请多项相关预研课题,组织攻关团队,在国内率先将“双光束激光焊接”技术引入到课题研究中,并且从一开始就酝酿要将这项技术用到飞机制造中。

不过,为了技术问题,锁红波和巩水利不知吵了多少回。最大的一次分歧发生在2010年,当时国际上生产最大的格栅底座直径是250毫米,锁红波和自己的团队成员决定做280毫米的,而巩水利要求他们做500毫米的,锁红波坚决不同意,巩水利急了:没试怎么知道不成,要干就要做最先进的!

然而预研项目的基础研究阶段就屡遇险阻,团队成员不断对技术可行性提出质疑。但巩水利从未动摇过,不断鼓励身边的同事,带领团队全身心投入项目研究中。经过团队成员无数日夜奋战,基础试验终于在“十二五”期间取得了实质性进展。

经过几轮的争执,最后双方都让步,顺利做成了350毫米的,遥遥领先国际同行。没有巩主任的坚持,我们不可能做下去。锁红波很佩服巩水利的技术眼光,他经常看文献,对技术前沿非常敏感,看准了一个方面,就想方设法去实现。

在此基础上,巩水利把握机会,乘胜追击,推广团队的研究成果,并向某飞机设计所交底初步技术,向他们推介双光束激光焊接的优越性和可行性。该设计所经多方考证和评估,毅然决定将该技术用于某飞机带筋壁板的制造,实现了最初要把“双光束激光焊接”技术应用到飞机制造的目标。

2003年,巩水利了解到,美国波音公司的A318客机的机身实现了用激光焊接,代替过去的铆接,这一项技术减轻了机身重量近20%,降低制造成本20%左右。

而后,研究团队团结一致,继续突破了轻质合金激光焊接填丝精度控制等关键技术,集成创新研制了双光束激光填丝复合焊接装置,建立了国内首个大功率双光束激光填丝焊接平台,实现了大型薄壁结构T型接头双光束双侧同步焊接,并首次成功应用于航空带筋壁板关键结构件的焊接制造中,在我国新型飞机研制中发挥了重要作用。

激光焊技术将会促进传统航空制造业的改造升级。当时,40岁不到的巩水利已经在焊接行业小有建树,他敏锐地意识到这一信息的重要意义。之后,他迅速申请多项预研课题,并创造性地提出了双光束激光焊接的设想。

将3D打印技术用在飞机制造上

在项目基础研究阶段,试验屡遭失败,研究团队成员纷纷对技术的可行性提出质疑。巩水利承受着压力,但没有想过放弃:这是航空焊接的大革新,只要踏踏实实做好每次试验,认真研究总结分析,就一定能成功。

2003年,巩水利认识到俗称“3D打印”的增材制造技术能够解决传统加工制造手段无法解决的制造问题,势必能促进我国国防现代化建设发展。于是,他开始组建队伍、创造条件、申请课题,团队从最初的一两个人,发展到现在的20余人,并已建立了一支国内专业最全、结构合理的科研团队。

有一两年时间,巩水利几乎没有休息过,晚上睡在在试验现场是常事,有时其他同事早上8点多来上班,他刚下班,回去休息一下,中午又出现在实验室。他带领同事记录好每一次的试验数据,围绕试验中出现的特殊现象观察、研究,并定期召开团队会议,通过平等交流、广泛讨论,产生新的思路。同时,他还要去说服领导,争取资金支持,因为试验件的成本很高。

锁红波是所里的年轻骨干,在项目最初就进入了3D打印的科研团队。他坦言,在研制初期并没想到3D打印技术能发展得如此迅速。而巩水利从一开始就没有将3D打印的研究目标仅仅定位于预研项目,要求锁红波一定要在项目结束时拿出应用成果来。

经过上千次的试验,预研有了重大突破,双光束激光焊接的优越性体现出来:不变形,表面光滑,焊缝内部没有缺陷。之后,这项技术被用于某型号飞机,实现了机身减重、连接强度提高、表面光滑飞行阻力减少的目标。

“刚开始关于加工样件的尺寸,我们和领导分歧很大,但他坚持认定能够研制出来较大尺寸的样件。3D打印能有今天成绩,都是领导大力推进的结果。”锁红波回想。

之后,巩水利又带领年轻同事攻克了多项关键技术,研制出了双光束激光复合焊接装置,建立了国内首个大功率双光束激光焊接平台,并首次成功应用于航空带筋壁板关键结构件的焊接制造中。

经过3年的研究,科研人员通过改进设备,攻克了成型过程中球化、变形等问题,终于用3D打印技术制作出第一个零部样件。

从几年前单一的激光焊接,巩水利的团队已经开发掌握利用电子束、激光束、等离子束作为焊接热源进行熔化焊接的一系列技术。曾不愿与巩水利做深入交流的国际同行,如今主动邀请他深入合作。

零件做出来了,但怎么找到该项技术应用于航空领域的切入点成了项目组的困扰。按照巩水利的作风,他推动的每项新技术,都必须坚定不移地以应用于新产品为目标,对每项新技术都要想方设法利用一切机会去推广。

现在,巩水利又在关注下一个技术前沿:利用超快激光技术完成对飞行器部件的一体化制造,不仅结构复杂的部件能够一次加工成型,他们还用激光对这些部件的表面进行处理。

在一次某项目工作会中,我国某飞机制造厂讲到当时飞机研制过程中加工某零件工艺上遇到的困难,巩水利就联想到重点实验室正在研究的增材制造技术的难题,他马上召集项目组,开展技术交流。而后,他带领项目组积极进行具体结构的可行性工艺验证,并自行研制了当时国际上最大规格的金属激光选区熔化快速成型设备。

这其实是一项仿生技术,经过纳米级激光处理,可以让飞行器形成像荷叶一样的表面,不沾水,在空气中阻力最小。37岁的马国佳博士是这项技术的研发负责人,他仍记得自己几年前刚到所里的情形,巩水利第一次见面就问他发了多少论文,这让马国佳很受触动:他关注基础研究,我想这是我们这个团队成功的重要因素之一。

部件尺寸较大,大尺寸的工艺突破困难很大,为了早日攻克难关,巩水利和他的项目团队,两年多来没有休息过节假日,每天24小时“连轴转”,就连大年除夕也坚守在科研现场。

关键词:印刷3D打印

在制造的零件结构发生变化或者实验失败时,研究团队通过头脑风暴制定出新的实验方法,在几百次的失败中,研制团队越战越勇,勇往直前,将研究成果迅速应用到了我国重点型号的研制中。“梅花香自苦寒来”是项目团队研制历程的真实写照。

“巩总的干劲让年轻人自愧不如”

锁红波说,巩水利有用不完的干劲,他不服输、拼搏进取的精神让所里很多年轻人都自愧不如。巩水利说:“其实我不喜欢大家叫我‘老巩’,因为我还不老嘛。”

就是这股干劲让巩水利带领实验室摆脱落后,跻身前列。一位英国焊接研究所的外国专家曾经到我国进行技术交流,对高能束流加工国家级重点实验室落后的技术水平不屑一顾。当时巩水利就下定决心:“一定要让我们的技术走在世界前列。”

几年过去后,当这位专家再次来到实验室,看到“双光束激光焊接”等一系列成果,已经处于世界领先地位,由衷地竖起了大拇指。

巩水利还把这股干劲传递给年轻人。他一直强调,未来是属于年轻人的,科研工作也必须要有传承。在工作过程中,他更关注年轻人自身发展,提携后生,培养了一批像锁红波、李怀学这样年轻的中流砥柱。

立足世界去梦想,巩水利和团队成员的激情拼搏让中国激光焊接技术在短时间内踏入世界先进行列,让他的梦和中国梦,在世界的沃土上开花结果。

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