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激光加工拉开中国高端制造业发展大幕

导读: 在一批科学家和工程技术人员持之以恒的努力下,这一难解之迷已经被成功破解,激光加工技术的导入,已经让中国高端装备制造业发展大幕徐徐拉开——

在很多加工实践中,科研人员经常会发现:一些重要的机械设备的零部件,用同样的金属材料打造成同样的形状和尺寸,为什么性能却无法达到甚至超越先进发达国家同类产品。这个“谜”一般的现象困扰着中国的学者,也成了制约中国高端装备制造业发展的一大瓶颈。在一批科学家和工程技术人员持之以恒的努力下,这一难解之迷已经被成功破解,激光加工技术的导入,已经让中国高端装备制造业发展大幕徐徐拉开——

在张光钧教授的名字中带有一个“光”字,许是命运的安排,张光钧的人生注定与激光结缘。整整30年,他坚守在激光表面处理技术的科研第一线,带领学科团队与一批科学家们相互支持、并肩作战,愣是啃下了中国高端加工制造业的一个主要短板。

激光,是人类智慧的产物,它是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后人类的又一重大发明。激光可以产生高强密度的能量,一柄能源利剑在科技的发展中自然而然地交到了人类手中,而它也对传统加工制造业进行了革命性的变革。激光加工已经成为了继手工加工、机械加工、电加工模式后引领潮流的加工模式。

激光加工的秘密,国外同行一直是秘而不宣,国内该领域的关注度也不够。谁也未曾料到这一技术背后的潜在价值:采用传统加工工艺加工好的金属零部件经过一定波长、功率密度和扫描速度的激光辐照,就能提高材料的强度,明显延长使用寿命。出现了小裂缝的金属零部件照一照高强激光,在恶劣的环境中,裂缝也不会再扩展,安全系数大为提升。

作为中国激光表面处理技术的开拓者、实践者和见证者之一,手捧上海市高强激光加工产学研联盟成立的文件和未来实施的方案,张光钧教授的眼眸中充满着欣喜,已过花甲之年的他注定将要迎来人生事业的一个高峰。

在机缘巧合中恋上“激光”

1976年粉碎四人帮后,作为文革前最后一批上海交大冶金系金相专业毕业的大学生,张光钧被上海交大点名从上钢三厂调回高校从事科研工作。一次偶然机会,张光钧在上海展览中心看科技展览,接触到激光,那是醍醐灌顶式的触动。光能是最易引导和成形的能量形式之一,这种能量形式传递的信号噪声很小,可从独特的窗口进入自动化和智能化的操作……在对激光科技深入思考时,张光钧的思绪又慢慢飘向了当年接受工农兵再教育在上钢三厂做炉前工的3载岁月,张光钧被安排在轧钢加热炉车间工作,在那里,钢锭经过有十多个重油喷口的加热炉的高温洗礼,待钢锭软化后进入轧制变钢板的环节。那场面犹如火龙绕月,每天工作下来都是汗流浃背。但细心的张光钧在工作一段时间后,看出了其中的工艺问题,他提出了改进工艺方案,适当降低炉温,减少喷油量。意见最终被采纳,车间能耗降低,轧制钢板质量也有了保证,车间温度也降了下来。但这次工艺改进后,一个想法也经常萦绕在张光钧的心头,这种高耗能的加热模式能不能被一种更加节能的方式所替代。

在一段沉思后,张光钧猛然意识到,他所苦苦追寻的能量解决方案也许就存在于激光中。渐渐地,他接触到了国内几位正在进行早期激光高能热处理开发的前辈:中国铁科院李志忠高级工程师,他根据国外资料写的《激光热处理》颇具启发意义。中科院上海光机所的苏宝嫆研究员,当时交大没有激光实验设备,她热情地邀请张光钧到所里做实验。中科院长春光机所的关振中研究员,研发500瓦的玻璃管激光器进行热处理实验,为了弄清楚激光器原理,张光钧也是几次北上请教学习。为了尽快着手激光热处理的试验研究,在有关专家和领导的支持下,他调入上海机械制造工艺研究所。在那里,张光钧有幸成立了自己的课题组,并配置了1000瓦激光器。

1983年11月,第三届国际材料热处理大会在上海召开,这是改革开放初期少有的在国内召开的国际正式学术年会,经重重评审,张光钧撰写的关于激光材料表面改性的论文脱颖而出,成为在大会上宣读的、也是在本专业领域国际权威学术大会上第1篇涉及激光表面改性的中国学者论文。几年的科研探索中,他判定产业化道路可能需要一段较长的时间,在原交大分校(现上海工程技术大学)校长俞少罗教授的力邀下,1984年张光钧辞别了上海机械工艺研究所,又一次走进了象牙塔。他和课题组同事们建起了上海首家千瓦级二氧化碳激光加工科研、中试、教学基地。渐渐地,激光表面处理的神秘面纱被一层层地揭开:能量密度高于1000瓦/cm2才有实用价值,否则激光处理与淬火加热冷却的效果差别不大;光功率密度在高于1000000000瓦/cm2情况下,激光会对金属材料产生巨大的冲击效应,表面会产生微观的塑性变形,表面的位错密度可以大大增加;过去常规强度理论认为的金属材料无法兼具高耐磨性和高摩擦系数的状况从激光表面处理技术角度出发,完全行得通……

奈何产业化之路一波三折

在多年的科研生涯中,张光钧先后主要负责完成了38项科研项目。先后以第一完成人获得国家发明专利授权5项、国家实用新型专利授权3项。迄今以第一作者在国内外公开发表论文47篇,其中32篇次被SEI、EI、ISTP、CSCD等著名引文数据库收录。在张光钧和几位科研前辈的积极张罗下,中国热处理学会高能热处理技术委员会在1984年成立,已举办了十屆全国激光热处理学会年会,全国的同行们有了一个分享研究成果的平台,可以共同为激光表面处理技术的发展贡献智慧和力量。

慢慢地,张光钧的课题组开始接受企业的技术攻关课题,他们接受了上海电梯厂电梯正弦轮V型槽表面改性等技术攻关委托,在实践中更加验证了技术的正确性,同时也根据过程中发现的问题来完善工艺技术。

1990年,激光表面处理技术得到了上海市政府的关注,在当时蒋以任副市长的推动下,上海激光集团公司挂牌成立。满以为激光技术产业化的黄金时机来临,但是现实却令张光钧深深失望,由于制度上的因素,大量公司对于新技术推广和使用的热情远远低于预期。有些企业是合资企业,外方不允许中方涉及核心技术的改进。有些大型制造企业甚至提出:如果零部件寿命过长,那么企业的产量就会下降,工人要下岗。张光钧的心中五味杂陈。他开始思考激光表面处理产业化背后的推动力。

作为一个崭新的材料加工领域,有二个因素决定着领域的发展状况,一是激光器的成本和质量问题。二是市场的接纳度、认知度和实际需求量问题。在过去的许多年中二者的情况都不成熟。

他毫不气馁,再一次投入到产学研对接的滚滚洪流中,先后在机械刀片刃口、汽缸体(套)内壁、机床导轨表面、列车减振器上下导向座面等重要零部件的关键表面采用激光强化工艺并满足了企业的技术要求。2005年他获国务院特殊津贴奖,并三次获省部级科技奖。

而此时家里的状况又让张光钧陷入苦恼,在影视公司担任摄影组长的独生子,突发脑出血,无法工作,他一下子苍老下来。整整7年,经历着内心巨大的煎熬和痛楚,他一边照顾儿子一边坚持科研工作。

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