科技日?qǐng)?bào)記者 王延斌 通訊員 張玉芹 杜榮茂

3月31日，記者從哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）了解到，該校研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)大功率推挽式超聲固相增材制造裝備。該裝備國(guó)內(nèi)首次通過(guò)兩側(cè)施加雙換能器實(shí)現(xiàn)6000瓦以上的輸出功率，相比傳統(tǒng)單換能器可適合更厚箔片的大面積堆疊累積增材，可以滿足銅、鋁、鎳、鈦等多種金屬材料的固相固結(jié)增材，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)銅/鋁、鋁/鈦等異質(zhì)材料的高質(zhì)量復(fù)合增材制造，為輕量化功能材料制備、熱敏感器件無(wú)損植入等領(lǐng)域開辟了新的工藝路徑。

增材制造技術(shù)，亦被稱為3D打印技術(shù)，是由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)直接制造零件的科技體系。它采用層疊堆積的方式實(shí)現(xiàn)了零件的“自由制造”和“近凈成形”，降低了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工難度和制造成本。

超聲波是一種頻率超出人耳聽覺(jué)上限的聲波，在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)引發(fā)一系列物理反應(yīng)。在增材制造領(lǐng)域，超聲波能夠在微觀尺度上精確操控物質(zhì)，通過(guò)其高頻特性產(chǎn)生局部高壓，進(jìn)而引發(fā)物質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的深刻變革，最終達(dá)到優(yōu)化材料性能、提升加工品質(zhì)的目的?；诮饘俪暡ê附拥某曉霾闹圃旒夹g(shù)是在連續(xù)的超聲波振動(dòng)壓力下，金屬箔層間產(chǎn)生高頻率的摩擦，而在摩擦過(guò)程中金屬表面覆蓋的氧化物和污染物被剝離，露出純金屬，在外加壓力作用下通過(guò)超聲波的能量將純凈金屬材料軟化填充至已焊接完畢的金屬箔片的表面，在這個(gè)過(guò)程中，兩片金屬箔片表面實(shí)現(xiàn)原子間結(jié)合提高焊接面的強(qiáng)度，而后周而復(fù)始，層層疊加，最終成型。

固相連接是一種在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)材料連接的技術(shù)，其特點(diǎn)是不需要熔化材料，而是通過(guò)原子間的擴(kuò)散、塑性變形或機(jī)械作用實(shí)現(xiàn)連接。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）教授張洪濤表示，超聲波增材制造是一種基于固相連接的綠色增材制造技術(shù)，通過(guò)高頻超聲振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能和熱能實(shí)現(xiàn)金屬箔材的逐層固結(jié)，與傳統(tǒng)熔焊增材工藝相比，其加工溫度低，結(jié)合界面可以避免脆性化合物的過(guò)度生成，同時(shí)也可以避免材料高溫氧化、相變及殘余應(yīng)力等附加問(wèn)題，尤其適用于異種金屬連接和功能梯度材料制備。然而，傳統(tǒng)超聲波增材設(shè)備使用單側(cè)換能器，因換能器功率不足且難以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)，無(wú)法滿足大尺寸、大面積及高強(qiáng)度金屬構(gòu)件的制造需求。

在山東省重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目、山東船舶技術(shù)研究院和威海萬(wàn)豐鎂業(yè)科技發(fā)展有限公司等支持下，張洪濤團(tuán)隊(duì)從2018年開始進(jìn)行雙側(cè)施加振動(dòng)實(shí)現(xiàn)推—拉結(jié)合的超聲振動(dòng)滾焊頭的設(shè)計(jì)與優(yōu)化；同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)諧振模擬、壓頭粗糙度改善及輔助加工平臺(tái)開發(fā)等工作不斷打造完善整體裝備，最終研制成功具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的增材制造裝備，目前樣機(jī)已進(jìn)入測(cè)試階段。