国内首套！他们用12年研制出双换能器超声固相增材制造装备

抖音推荐 2025年07月23日 23:55 1 admin

近日，记者从哈尔滨工业大学威海校区获悉，校区材料科学与工程学院张洪涛教授团队成功研制出国内首套双换能器超声固相增材制造装备。

该装备可实现6000瓦-9000瓦双头输出功率，满足铜、铝、镍、钛等多种功能材料及梯度材料的制备需求，打破了传统超声增材设备的功率限制和加工模式，在异种金属连接与功能材料结构构建领域实现重大突破，让中国在高端固相增材领域实现了从“跟跑”到“领跑”的跨越。

近年来，随着航空航天领域对钛/铝复合轻量化部件、新能源汽车对铜基散热组件的需求激增，传统超声波焊接制造技术的短板也日益凸显。单换能器功率不足就像一把钝刀，难以突破大尺寸、高强度构件的制造瓶颈。2013年，张洪涛团队在调研中发现，美国在大功率超声固相增材技术方面已比较先进，而国内在单换能器固相超声方面相对落后。这让张洪涛教授团队更加坚定了“必须走自己的固相增材之路，将核心技术掌握在自己手中”自主研发固相增材制造装备的决心。

“科研的突破始于一个大胆的假设。”张洪涛教授回忆道，那时，美国的大功率超声固相增材制造装备技术路线以高功率为核心，追求极限性能，而国内技术刚刚起步。面对技术壁垒，团队另辟蹊径提出“用预热的箔片代替冷态室温箔片”的新思路。

“功率是解锁固相增材潜力的钥匙，但钥匙的形状可以由我们自己设计。”带着这样的信念，张洪涛教授带领团队研究生从“零”开始，立志研发中国的第一台大功率超声波固相增材制造装备，为中国制造开辟一条低温、高效、绿色的新路径。

12年前，当张洪涛团队在图纸上绘制出“辅助加热式超声固相增材技术”的雏形时，或许没人想到这个看似简单的构想，会开启一场从一代机到二代机再到三代机跨越12年的科研远征。

“我们不是在追赶，而是在开辟新赛道。”从理论模型到控制系统，团队逐一攻克技术瓶颈，资金短缺时他们甚至自费购买急需零件设备，调试失败他们便不分昼夜扎进实验室，连续奋战多个月。一位团队成员回忆道：“科研没有捷径，唯有死磕到底。”2015年，团队首项专利授权通过，团队成员在“螺丝都靠自己拧”的情况下，制作出了第一台推挽式固相增材设备。最初的样机每次仅能增材10毫米，这看似简单的一小步，却标志着他们找到了正确的探索方向。

2017年，正值第二代样机研发的关键阶段，研发资金短缺，团队几名骨干因毕业等原因相继离开，但其他团队成员依然继续坚守，张洪涛教授经常鼓励大家“最难的时刻，往往离突破最近”。同年，相关技术被几家企业关注，推挽式装备专利成功授权，第二代样机功率跃升至4000W，技术体系初步完善，迈出了设备突破的重要一步。“那一年，我们白天调试设备，深夜进行仿真测试，连续几个月昼夜颠倒，只为能在安静的环境下完成上百次实验，捕捉最优谐振频率。”张洪涛教授说。

2018年夏季最炎热的时候，一场“意外”成为团队研发转折点——实验室空调故障，在将近40℃的高温中团队意外发现，高温环境能促进固结时的金属表面塑性流动，这一发现就像“黑暗”中的一束光，催生了直流电源预热固相增材新工艺，大幅提升了难焊金属的固结效果。另外，在控制固结表面花纹时，团队成员发现“微小的表面粗糙度参数直接影响制备的材料性能”，为了找到最优方案，他们带着样品在全国数十家企业间奔波测试，有时一家企业的设备参数稍有偏差整个实验就得重来。

第一代设备样机和第二代设备样机

第三代设备样机

2021年，该项目参加中国“互联网+”大学生创新创业大赛并获金奖，实现校区该项赛事“零”的突破。当大赛评委赞叹“没想到团队能做到这个水平”时，他们热泪盈眶，直言所有的苦都值了。

2024年团队研发的第三代设备功率达6000W-9000W，功能效果、工艺基础全面跃升。2025年春该设备通过增减材一体化相关测试，可实现铜/铝、铝/钛等异质材料的高质量复合增材制造，为轻量化功能材料制备热敏感器件无损植入等领域开辟了新的工艺路径。

三代设备的迭代，实现了从单换能器的功率桎梏到双推挽式结构，从冷态箔片堆叠到热箔堆叠的突破，这支团队用坚守与创新为中国高端制造写下了一段“12年磨一剑”的传奇。

从理论模型到加工系统，团队攻克10余项核心技术，完全独立自主地主导大功率推挽式超声波增材制造装备的诞生，这台“国之重器”实现了在热箔辅助式固相增材双换能器推挽结构动态谐振控制技术增减材一体化设计等方面的四大突破。

“人无我有，人有我优。”张洪涛教授常对团队说：“哈工大人做科研，既要敢闯‘无人区’也要把‘卡脖子’清单变成‘领跑者’榜单。”如今，这台由张洪涛教授团队完全自主研发的国内首套大功率推挽式增减材一体化超声波固相增材制造装备，未来可为我国航空航天、新能源汽车光伏产业以及无人机技术等领域，提供绿色特种功能材料的快速制备新工艺，在星辰大海间书写哈工大人矢志科研攻关、打造国之重器的奋斗故事。

（大众新闻·大众日报客户端记者郑莉通讯员李志强王静雅报道）