用于射电天文接收机的金属波导元件超声增材制备新技术研究

Ultrasonic additive manufacturing technology is a kind of new metal layer stacking rapid manufacturing technology, which can be used to fabricate the complex metal components which can not be realized by traditional technology. Metal waveguide component (a three-dimensional distribution waveguide network, including the recieving signal hole, the local oscillator hole and the coupling hole) is an important part of the sub-millimeter wave integrated heterodyne receiver array for the radio telescope . Previously, the waveguide components were discrete to piece together through a pin positioning screw connection, which was difficult to achieve large-scale pixels. In this project the metal waveguide components for radio astronomy receiver equipmentused are used as the research object under ultrasonic additive manufacturing technology. The welding mechanism and micro electrical discharge machining (EDM) technology under ultrasonic vibration of high precision thin copper will be studied. And the research on the key technology of integrated ultrasonic welding and micro EDM technology for preparation of curved waveguide and coupling hole hole will be processed, in order to prepare for the next generation of 3D metal waveguide components used in the integrated radio telescope array receiver.

超声波焊接增材制造技术是一种全新的金属层层堆积快速制造技术，能够高精度地制备传统工艺无法实现的复杂金属构件。金属波导元件（内有三维分布的波导网络，包括接收信号孔、本振信号孔和耦合孔等）是射电天文望远镜中亚毫米波段集成型外差式阵列接收机的重要组成部分。以前采用分立的波导元件通过销钉定位螺钉连接来拼合，难以实现大规模的像元。本课题以用于射电天文接收机的金属波导元件制备为研究对象，采用超声波焊接增材制造技术，研究高精超薄紫铜在超声振动下的焊接机理及其微细电火花成型技术，研究集成超声焊接和微细电火花加工技术制备弯曲波导孔和耦合孔的关键技术，以求制备出用于下一代射电望远镜集成阵列式接收机的三维金属波导元件。

亚毫米尺度的金属波导器件是下一代射电望远镜太赫兹观测设备的主力终端设备中的关键部件。要求孔道截面为矩形，且尺寸小、精度高、表面光顺，以达到尽量减小波导损失、在不增加外形尺寸的情况下提高波导器件阵列规模从而增加像元的目的。本项目提出基于超声焊接增材和放电加工相融合的分层叠加制造新技术来整体制备出金属波导器件。.金属薄片的有效焊接是该技术中最关键的工艺之一。本项目通过EBSD和SEM等技术研究紫铜超声焊接界面行为和织构演变，利用ABAQUS计算机软件模拟0.20mm厚紫铜片超声焊接界面的温度场，探究超声焊增材规律和机理，为该新技术工程研发提供技术支撑。研究揭示了焊接界面包含大量细小等轴再结晶晶粒。同时研究了镁、铝异种金属超声波焊接以及添加中间夹层时接头的力学性能、微观结构以及界面反应行为。结果表明在界面中添加Zn箔中间夹层对阻止Mg-Al系IMC形成有较好的效果，能有效地改善接头力学性能。.本项目采用用电火花放电完成紫铜材料上的孔道加工。分析了对紫铜放电加工的机理，选择纯钨做为配对的电极，提出用电火花轮廓铣削加工方法来加工紫铜孔道。在此基础上设计放电方法和电极损耗补偿方法。在保证加工精度的基础上，为了提升紫铜波导孔的放电加工效率，本项目进行了超声辅助下紫铜放电加工，并建立了超声辅助模型、设计了连接件和保护装置。.在得出紫铜超声波焊接最佳焊接工艺参数和较优放电规准后，利用超声波焊接增材和放电加工融合技术加工所需波导器件。在最佳工艺参数下进行超声波分层焊接，多层焊接后，进行放电加工，首先加工一截面0.8mm×1.0mm的水平矩形本振信号孔，垂直于信号孔端部加工一0.2mm×0.15mm×0.3mm的矩形耦合孔，在此基础上再进行多层超声波焊接，随后加工一与本振信号孔和耦合孔均垂直的0.8mm×1.2mm×2mm的接收信号孔，形成一正交网络孔状结构。.本项目的完成为射电波导金属器件整体加工探索了一种新的方法，该方法也可以用于复杂金属小构件的整体加工上，具有十分重要的应用价值。