KTP是什么？
KTP是英國大學(xué)和英國企業(yè)之間的聯(lián)合項(xiàng)目，為期1至3年。它的目標(biāo)是將英國世界領(lǐng)先的研究部門（世界排名前100的大學(xué)中有18所是英國大學(xué)，英國大學(xué)占據(jù)第2和第4名）與英國企業(yè)連接起來。
這將世界一流的學(xué)術(shù)知識嵌入其商業(yè)部門，并同樣確保研究部門了解現(xiàn)代商業(yè)的需求。這形成了大學(xué)，公司和負(fù)責(zé)管理合作伙伴關(guān)系和執(zhí)行項(xiàng)目的“KTP合作伙伴”之間的三方安排。
撥款由資助機(jī)構(gòu)Innovate UK發(fā)放，目前在全國范圍內(nèi)運(yùn)行著800個(gè)KTP。這些項(xiàng)目非常成功，每1英鎊投資平均帶來8英鎊的回報(bào)。
項(xiàng)目概況
該KTP是CVE與克蘭菲爾德大學(xué)焊接和增材制造（WAM）中心之間的合作伙伴關(guān)系，旨在開發(fā)真空激光焊接。該項(xiàng)目于 2021 年 1 月啟動(dòng)，目標(biāo)廣泛，涵蓋工藝和設(shè)備。
工藝方面涉及了解材料對激光真空焊接中不同參數(shù)的反應(yīng)，而設(shè)備方面涉及解決阻礙激光真空焊接工業(yè)可行性的工程問題。
畢竟，單個(gè)好的焊接幾乎沒有內(nèi)在價(jià)值，一臺(tái)設(shè)備必須能夠持續(xù)多年地生產(chǎn)出良好的焊接。
克蘭菲爾德大學(xué)
946. 這所專門的研究生機(jī)構(gòu)可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)后，當(dāng)時(shí)皇家航空學(xué)院于 1946 年在貝德福德郡克蘭菲爾德的英國皇家空軍基地成立。
1969年，該學(xué)院被皇家憲章并入克蘭菲爾德理工學(xué)院，現(xiàn)在已經(jīng)從航空擴(kuò)展到涵蓋制造和管理。
今天，克蘭菲爾德涵蓋了廣泛的行業(yè)，從航空航天和國防到環(huán)境和農(nóng)業(yè)食品。該大學(xué)在高質(zhì)量和商業(yè)相關(guān)研究方面的聲譽(yù)使其成為許多領(lǐng)域值得信賴的工業(yè)合作伙伴。
克蘭菲爾德大學(xué)的焊接理學(xué)碩士課程已有60年的歷史，許多英國大公司的制造部門都有克蘭菲爾德的校友，從高級管理人員到初級工程師。在最近的焊接碩士課程60周年紀(jì)念日，這些畢業(yè)生中的許多人回到了他們漫長而輝煌的職業(yè)生涯開始的地方來慶?？颂m菲爾德和WAM中心引以為豪的歷史，并期待一個(gè)光明和創(chuàng)新的未來。
圖1. 克蘭菲爾德的焊接和增材制造設(shè)施。圖片由克蘭菲爾德大學(xué)提供
劍橋真空工程 CVE
CVE也擁有悠久而卓越的歷史，在制造電子束焊機(jī)和真空爐方面擁有60多年的經(jīng)驗(yàn)。已向全球客戶交付了 1000多臺(tái)設(shè)備，在構(gòu)建和維護(hù)真空電子束焊接系統(tǒng)方面擁有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)和機(jī)構(gòu)專業(yè)知識。
CVE 在美國和中國設(shè)有分公司，主要生產(chǎn)基地位于英國劍橋郊外，為其國際客戶群提供快速、高質(zhì)量的服務(wù)支持。出廠的設(shè)備表現(xiàn)了出色性能和使用壽命，我們的一些客戶仍然很高興使用25年以上的舊設(shè)備。
幾年前，我們擴(kuò)大了產(chǎn)品范圍，增加了大氣條件下激光焊機(jī)和真空激光焊機(jī)。傳統(tǒng)激光焊接是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，CVE在工裝，操作界面和安全性方面的專業(yè)知識使業(yè)務(wù)擴(kuò)展到傳統(tǒng)激光焊機(jī)無縫銜接。隨著真空激光焊接的出現(xiàn)，新技術(shù)不斷更新，遇到了需要?jiǎng)?chuàng)新解決方案的更復(fù)雜的挑戰(zhàn)。
真空激光焊接：歷史
真空激光焊接最初是在20世紀(jì)80年代在日本發(fā)展起來的。它的開發(fā)是為了分散對高功率CO2激光器有害的等離子體羽流。直到2010年代初，真空激光焊接才受到特別的關(guān)注或采用。
學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的興趣都顯著增長，該技術(shù)在某些應(yīng)用中是電子束的更可靠和經(jīng)濟(jì)的替代品，而在其他應(yīng)用中則是傳統(tǒng)激光焊接的更高質(zhì)量的替代品。
真空激光焊接：優(yōu)勢
真空中的激光可實(shí)現(xiàn)以前只有電子束焊接才能實(shí)現(xiàn)的熔深和焊接質(zhì)量，同時(shí)提供電子束難以匹敵的靈活性和可靠性。
這是由于真空的物理特性，在減壓狀態(tài)下，所有材料的沸點(diǎn)都降低了，這使得更多的材料被激光束蒸發(fā)，從而使焊縫穿透得更深。
質(zhì)量主要來自真空中的易排氣性，因?yàn)殒i孔內(nèi)的氣體不會(huì)受到周圍大氣氣體逸出的阻礙，蒸發(fā)的金屬可以在材料再凝固和形成孔隙之前逸出鎖孔和熔池。
通常在焊縫上方看到的羽流在真空中幾乎不存在（取決于真空度），因?yàn)樵谡婵罩型瑯尤菀追稚?，這減少了熔池上的摩擦，部分導(dǎo)致飛濺。
與電子束相比的優(yōu)勢來自激光束本身，不受磁場的影響，不產(chǎn)生X射線。這兩種技術(shù)之間的比較很復(fù)雜，都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。有關(guān)傳統(tǒng)激光、電子束和真空激光的完整比較，您可以在此處閱讀我們的帖子
真空激光焊接：挑戰(zhàn)
真空激光焊接所涉及的挑戰(zhàn)可分為兩大類：工藝挑戰(zhàn)和機(jī)器設(shè)計(jì)中的工程挑戰(zhàn)。
工藝挑戰(zhàn)是特定于應(yīng)用的（例如，在高熔深應(yīng)用中的根部孔隙率和凸起問題），并且需要可靠工作的機(jī)器來測試和解決。一臺(tái)可靠工作的機(jī)器至少需要克服真空激光焊接所涉及的一些工程挑戰(zhàn)，使這些挑戰(zhàn)成為該項(xiàng)目的優(yōu)先事項(xiàng)。
現(xiàn)在這些挑戰(zhàn)已經(jīng)克服，重點(diǎn)轉(zhuǎn)向特定應(yīng)用的挑戰(zhàn)，以及評估真空激光對行業(yè)的適用性。
KTP 到目前為止
團(tuán)隊(duì)的第一個(gè)任務(wù)是了解我們面臨的挑戰(zhàn)到底是什么。窗污染問題直觀上可以理解，但需要詳細(xì)研究才能充分理解并解決。從CVE的內(nèi)部開發(fā)中獲得一個(gè)可用的工作原型，這被用作起點(diǎn)。經(jīng)過幾周的測試，窗污染問題得到了很好的理解，這些知識被用作最終解決方案的基礎(chǔ)。
這里所提到的窗口是激光耦合窗口，這是一個(gè)至關(guān)重要的組成部分，因?yàn)樗试S加工激光束進(jìn)入真空室。當(dāng)激光束離開激光器時(shí)，它被發(fā)射到光纖中，光纖又連接到激光頭，激光頭對準(zhǔn)和聚焦激光。激光器、光纖傳輸和聚焦頭都位于真空室外，激光必須通過一個(gè)高度透明的（對激光波長）窗口照射，從而在真空室中焊接。焊接是一個(gè)充滿能量的過程，產(chǎn)生的碎片會(huì)污染窗口，吸收激光能量，最終使窗口無法使用。
發(fā)現(xiàn)窗口污染有兩種形式：金屬蒸氣和飛濺物。金屬蒸氣是從焊縫中蒸發(fā)并離開鎖眼的金屬，它會(huì)在其遇到的第一個(gè)表面上傳播并沉積。如果該表面是激光耦合窗口，則窗口會(huì)在整個(gè)表面上慢慢失去透射率，導(dǎo)致到達(dá)焊縫的能量損失，并隨著窗口加熱和變形而將原本平坦的窗口變成彎曲透鏡（稱為熱透鏡），最終散焦光束。這對焊接非常不利，雖然一些能量損耗是可以接受的并且可以補(bǔ)償，但能量損耗和熱透鏡的綜合效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致不可接受的焊縫。
第二種形式的污染，飛濺物，是兩者中更隨機(jī)的。可以預(yù)期金屬蒸氣會(huì)持續(xù)且可預(yù)測地降低窗戶的性能。相反的，飛濺物基本上以隨機(jī)方向從焊縫噴射出來。飛濺物的大小和速度各不相同，在更高的功率和穿透深度下會(huì)產(chǎn)生更大更快的飛濺物。撞擊激光窗口的飛濺物會(huì)產(chǎn)生對激光不透明的小斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)會(huì)在每次激光發(fā)射時(shí)吸收激光的熱量，并且隨著時(shí)間的推移緩慢膨脹，因?yàn)橹車奈镔|(zhì)被加熱，透射性降低，導(dǎo)致失控過程。如果飛濺物足夠大，它可以在幾秒鐘內(nèi)使窗口無法使用。
圖3. 一個(gè)被大飛濺物損壞而無法修復(fù)的窗口
圖4. 被金屬蒸氣嚴(yán)重腐蝕的窗口
咨詢真空焊接設(shè)備：13501282025
開發(fā)解決方案
上述知識有助于制定解決方案，因?yàn)樗试S根據(jù)證據(jù)調(diào)整概念和想法。例如，早期的概念解決方案是在窗口上涂上特殊涂層，以防止金屬蒸氣粘附在窗戶上，就像眼鏡上的防霧涂層一樣。如果沒有對問題的詳細(xì)了解，很容易認(rèn)為這是一個(gè)完整的解決方案。然而，有了更詳細(xì)的知識，我們可以立即發(fā)現(xiàn)這并不能解決飛濺問題，因?yàn)闆]有涂層既可以阻止飛濺，又對紅外輻射非常透明。
第一個(gè)窗口保護(hù)系統(tǒng)原型雖然在一段時(shí)間內(nèi)有效地保護(hù)了激光窗口，但引起了一個(gè)重要的次級問題：煙塵的產(chǎn)生。這在我們之前的帖子中已經(jīng)詳細(xì)介紹了，所以請前往那里閱讀有關(guān)該主題的更多信息。為了解決煙塵產(chǎn)生問題，需要一個(gè)全新的解決方案，并利用對窗口污染問題和煙塵問題的知識，對其進(jìn)行了開發(fā)和測試。新的解決方案避免了煙塵問題，并在中等功率下產(chǎn)生長達(dá)數(shù)小時(shí)的窗口壽命。同時(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)窗戶交換系統(tǒng)，用于激光窗口的快速轉(zhuǎn)換。較長的窗口壽命和較短的交換時(shí)間使真空激光焊接工藝能夠與電子束焊接的類似鎢絲更換工藝競爭，這是該技術(shù)商業(yè)化的關(guān)鍵里程碑。
隨著許多常見應(yīng)用程序中的窗口問題的解決，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向不同行業(yè)的應(yīng)用程序測試。真空激光已經(jīng)看到一些高質(zhì)量的學(xué)術(shù)研究，專注于其對特定行業(yè)的適用性，全球的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、最終用戶和制造商已經(jīng)進(jìn)行了自己的測試。綜上所述，真空激光焊接目前的市場滲透率較低，盡管越來越多的組織開始看到它比他們當(dāng)前選擇的工藝（無論是電子束、標(biāo)準(zhǔn)激光，甚至是多道次 SAW）的優(yōu)勢。由于目前的低采用率和該技術(shù)的可能用途，大多數(shù)尚未經(jīng)過測試。在這些應(yīng)用中，尤其是電子束為主導(dǎo)的工藝，大多數(shù)不需要進(jìn)行大量測試即可產(chǎn)生匹配或超過所需質(zhì)量的焊縫。這是由于真空激光焊接工藝的穩(wěn)定性和穩(wěn)健性，焊縫無缺陷，以及電子束和真空激光焊接之間焊縫輪廓的相似性。
應(yīng)用測試的范圍從非常淺的低于mm到超過30mm的滲透焊縫。將可變工藝參數(shù)(速度、功率、振蕩、光斑大小等)轉(zhuǎn)換為符合特定要求(最小/最大焊縫高度/下填量、半深寬度、穿透深度、根半徑等)的焊接特征的過程并不總是一個(gè)簡單的過程，可能需要對工藝有深刻的了解。幸運(yùn)的是，這種理解是建立在每個(gè)測試過的應(yīng)用程序的基礎(chǔ)上的，并且合作伙伴關(guān)系現(xiàn)在已經(jīng)建立了一個(gè)關(guān)于在各種應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果的最佳方法的強(qiáng)大知識基礎(chǔ)。
在整個(gè)項(xiàng)目中，團(tuán)隊(duì)一直在利用每一個(gè)新的開發(fā)或知識來改善客戶合同的運(yùn)行，并為感興趣的客戶提供新的選擇。憑借強(qiáng)大的技術(shù)工藝知識基礎(chǔ)和針對以前關(guān)鍵挑戰(zhàn)的成熟解決方案，該合作伙伴關(guān)系現(xiàn)在正在努力實(shí)現(xiàn)這種強(qiáng)大的新工具在焊接武器庫中的潛力。
亮點(diǎn)：
這個(gè)項(xiàng)目有許多值得慶祝的偉大時(shí)刻。無煙窗保護(hù)系統(tǒng)的成功測試是一個(gè)偉大的里程碑，為真空激光焊接面臨的最棘手的兩方面挑戰(zhàn)之一提供了解決方案。
另一件非常高興的事是過去一年在東京舉行的IIW 2022年國際激光工業(yè)年會(huì)和在制造技術(shù)中心由工業(yè)激光用戶協(xié)會(huì)組織的大功率激光焊接研討會(huì)上的會(huì)議和研討會(huì)介紹。這些會(huì)議是與更廣泛的焊接界分享我們進(jìn)展的寶貴機(jī)會(huì)，我們非常感謝主辦機(jī)構(gòu)。
另一個(gè)亮點(diǎn)是獲得了KTP未來領(lǐng)袖獎(jiǎng)的提名，這是一個(gè)巨大的榮譽(yù)和榮幸看到其他一些突破性的KTP項(xiàng)目目前正在運(yùn)行。
展望未來 ：
真空激光焊接的未來是光明的，許多行業(yè)都可以從真空激光提供的質(zhì)量水平和靈活性中受益。
該技術(shù)為焊接較厚的截面節(jié)省了大量的能源和時(shí)間，對于降低制造可持續(xù)能源基礎(chǔ)設(shè)施的碳足跡至關(guān)重要。
真空激光焊接的全部潛力尚未實(shí)現(xiàn)，但幾年前存在的許多障礙現(xiàn)在已經(jīng)通過多個(gè)研究和商業(yè)組織的辛勤工作消除了。
在過去的5年里，每年發(fā)表的關(guān)于該主題的論文數(shù)量急劇增加，并且該技術(shù)的成熟度開始在工業(yè)界得到注意。
與大多數(shù)新技術(shù)一樣，進(jìn)步是漸進(jìn)式的，來自世界各地的許多不同的人和組織做出了貢獻(xiàn)，直到技術(shù)最終準(zhǔn)備好真正實(shí)施，其使用量出現(xiàn)突然而快速的增長。
真空焊接中的激光已經(jīng)達(dá)到了這個(gè)準(zhǔn)備點(diǎn)，我們期待著實(shí)現(xiàn)它將為我們的客戶帶來的好處。
