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上海西门子一级代理商
产品时间:2020-11-23
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从轮机叶片到高压开关,新的材料组合有望提高各类设备的性能,并降低其成本。在这一点上,把常规材料组合起来的新工艺是成功的关键。西门子中央研究院有好几支团队都在开展这一领域的前沿研究。

材料从根本上决定了产品的最终成本、环境影响和竞争力。以燃气轮机为例。要提高燃气轮机的效率,就必须提高其燃烧温度,而这要求耐热性更好的新型材料。西门子的所有业务领域几乎都能找到类似的例子。

但新的产品属性并不总是要求使用新材料。许多时候,只要采用新的组合方式将之结合起来,旧材料也足以满足需求。西门子中央研究院有好几支团队都在开展有关研究,探索实现这一目标的各种途径。他们的想法是:当前仅使用了单一类型的金属或陶瓷的产品,未来将使用针对特定应用量身定制的各种材料组合。这一策略的优势显而易见,包括在提升性能、减轻重量和降低对原材料的需求以及提高效率和改善成本等方面的巨大潜力。

西门子中央研究院的激光焊接与制造技术专员Friedrich Lupp以“窄间隙焊接”为例,解释了这种技术进步的光明前景。他指出,在人工焊接中,必须首先将金属部件的边缘充分切成斜边,以在其结合处形成V形痕。这个过程要切除一些材料,产生废弃物。随后,在V形痕中灌入融化的金融,形成焊缝。由于金属部件的厚度远远超过250毫米,因此所产生的裂隙肯定相当大。这样一来,就必须使用大量焊丝,耗用大量电力来填补这些裂隙。西门子中央研究院作为主力参与开发的一项技术,解决了这个问题。采用这项技术,焊接产生的间隙仅为12毫米。一个专用焊接头将沿着裂隙自动灌入熔化的金属,而不要求任何人工操作。

其实这种方法早已有之。早在30年前,人们就已开始研制这种焊接头。但借助如今功能强大的计算机,甚至可以自动检测并填补不同宽度的间隙。焊接头自身便是检测系统的组成部分之一。负责熔化焊丝和母材的焊弧也起到了检测器的作用。其电压和电流是与墙壁和地面之间的距离的函数。还有一项新技术是,研究人员通过利用不受温度影响的X射线检测器,来检测刚刚完成焊接仍处于高温状态下的部件的缺陷,实现了质量控制。

西门子的研究人员正在对一系列旨在将不同金属连接起来的新型焊接技术进行实验,包括被称为“放电等离子烧结”(上图)的压焊技术。

在窄间隙焊接(上图和下图)中,自动引导的焊嘴将在两个工件之间狭窄的V形痕中灌入熔化的金属。这项技术既节电,又省材料。

西门子的团队也在研究其他焊接方法。其中一项技术涉及利用高性能激光器来进行焊接,所产生的接缝非常之小,以至于材料的冶金属性几乎保持不变,同时大大降低了耗电量。

更加新奇的是压焊技术。在压焊过程中,将两个大块的工件彼此用力搓擦,从而令两个部件的表面粘合起来,而并不真的将之熔化。这样,就可以将采用传统技术难以连接的金属焊接起来,如将铝与铜或将铝与钢焊接起来。所做的工作仍主要是基础研究。但如果西门子中央研究院实验室内执行的试验取得成功,那么,这种新的材料组合将有助于节约成本。到那时,将可以仅仅在产品的特别敏感的部位使用昂贵的金属——如钼和铟以及铬、铜和银。

譬如,联合循环发电装置中的轮机转子必须满足与其他部件大相径庭的温度和材料要求。采用窄间隙焊接技术将各个部分连接起来,可以优化原材料的使用,而不必全部使用高成本材料。Lupp说:“我的梦想是,通过一个软件包告知设计工程师哪个部位该使用哪种材料,采用哪种制造工艺,以优化原材料使用效率,降低成本。”与此同时,还应当将随后的材料组合回收利用能力纳入考虑。然而,这样的项目只能与西门子PLM软件公司合作开展。

重复使用取代回收利用。随着时间的推移,轮机叶片的表面将产生细微的缺陷。因此,西门子中央研究院研制了一项维修技术,借助成像处理软件来检测并记录缺陷的具体位置。然后,根据所得到的信息来引导配备了焊嘴的机械臂。焊嘴可将金属粉末喷射到需要维修的缺陷点。当金属粉末落到缺陷点上的同时,激光器将令这些粉末熔化,从而使之牢牢地黏合到叶片表面。这项技术允许在客户的经营场所实现半自动组件维修。在柏林的一座西门子轮机工厂,技术专员已经成功地试验了这项技术。Lupp表示,“我们的目标是以重复使用来取代回收利用,因为这能节省宝贵的原材料以及能源。”

Ursus Krüger博士是位于柏林的涂料研发集团(Coatings Research Group)的负责人,他主要从事冷气喷涂技术研究,他也更推崇回收利用,而不是重新制造。在冷气喷涂过程中,一个超音速喷嘴以高达每秒1,000米的速度,将粉末颗粒物撞击到组件表面。在碰撞的同时,颗粒物将释放出如此之巨大的能量,乃至将之熔化。由于气体和粉末的温度很低,采用这种工艺进行处理的组件不会升温,因而不会变形、变硬或变软。因此,这项技术是适于维修诸如破损或交付时发现缺陷的铸铁外壳或轻型建筑构件等部件的理想之选。冷气喷涂也可用于采用相同的材料来维修较大的缺陷,或者制作近似于成型轮廓的崭新形状。有时候,甚至可以现场执行冷气喷涂,而不必拆下部件。

与火焰喷涂或等离子喷涂不同的是,冷气喷涂中使用的工艺气体不会起化学反应,因此,所喷涂材料的成分和结构将在其应用过程中保持不变。所以,冷气喷涂适用于在金属、陶瓷、玻璃和塑料等材料上喷涂厚度几乎不受限制的优质金属层。冷气喷涂能够实现类似于喷砂清理的清洁效果和类似于喷丸硬化的加固作用,因此基本上无需进行预处理。喷上的硬质涂层甚至比原始材料更加坚硬。项目经理Oliver Stier博士指出,冷气喷涂简化了一些生产工序。正因如此,Krüger博士打算进一步巩固西门子在这一领域的和技术优势。他的团队已经取得了一系列冷气喷涂和粉末沉积焊接以及冷气喷涂纳米颗粒悬浊液等技术的权。Stier博士甚至可以在试验之前,估算出该工艺用于新应用的成本。这可确保只开发具有盈利能力的工艺。

上图:激光束熔化喷涂的金属粉末。下图:Wolfgang Rossner博士检查放电等离子烧结形成的固体金属陶瓷结合处。

冷气喷涂以高达每秒1,000米的速度将粉末喷到组件上,同时让组件保持低温以避免变形。

新组合。在位于慕尼黑的西门子中央研究院,另一支团队正在Wolfgang Rossner博士的带领下潜心研制用于将截然不同的物质结合起来的非凡技术。其中一项技术就是超快烧结,该技术可以取代传统连接技术如焊接。在超快烧结过程中,材料在极高压力和温度下被挤压到一起直到粘结起来。这项技术已经投入使用相当长一段时间,但操作起来十分费时。然而,如果不是由外部热源对材料进行加热,而是利用电流从内部加热的话,这个过程只需要20分钟时间。不久前,这种被称为“放电等离子烧结”的方法已经用于生产普通陶瓷和金属材料。Rossner的团队尤为感兴趣的是新型组合如金属与陶瓷的复合物。

Rossner展示了一个硬币大小的试样。一边由耐高温钢构成,而另一边则是金属氧化物陶瓷。他说:“人们无法分开这两种物质。”边界层只有几微米厚,包含金属与陶瓷之间的连续过渡。现在,这支团队正在努力改善陶瓷与金属之间的粘着性,所有必须耐受极高温度的材料都将受惠于这项技术进步。

研究人员的想法则更进一步,他们想将金属和陶瓷细粉混合物挤压起来,以形成极其难熔的材料。Rossner表示,这在理论上是可行的。他的团队正在探索如何将之用于燃气轮机和高压开关。他说:“这种材料将可能实现全新的属性组合,如兼具陶瓷的电绝缘性与金属的塑性变形性能。”

 

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