激光技术在机械五金行业的应用

激光加工技术在机械五金钣金行业的应用激光加工是20世纪60年代初期兴起的一项新技术，此后逐步应用于机械、汽车、航空、电子等行业，尤以机械行业的应用发展速度最快。在机械制造业中的广泛使用又推动了激光加工技术的工业化。20世纪70年代，美国进行了两大研究:一是福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接;二是通用汽车公司进行的动力转向变速箱内表面的激光淬火。这两项研究推动了以后的机械制造业中的激光加工技术的发展。到了20世纪80年代后期，激光加工的应用实例有所增加,其中增长最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。这3项技术目前已经发展成熟，应用也很广泛。进入20世纪90年代后期，激光珩磨技术的出现又将激光微细加工技术在机械加工中的应用翻开了崭新的一页。激光加工技术之所以得到如此广泛的应用，是因为它与传统加工技术相比具有很多优点：一是非接触加工，没有机械力；二是可以加工高硬度、高熔点、极脆的难加工材料；三是加工区小，热变形很小，加工质量高；四是与现代数控机床相结合，使激光加工具有加工精度高、可控性好、程序简单、省料及污染少等特点。下面综合介绍应用比较广泛的几种激光加工技术在机械五金钣金行业的应用。激光切割技术激光切割是利用经聚焦的高功率密度光束照射工件，材料吸收激光能，温度急剧升高，工件表面开始熔化或气化，并吹入活性气体助燃。随着激光束与工件的相对运动，在工件上形成切缝。激光照射工件表面时，一部分光被吸收，一部分光被工件反射。吸收部分转化为热能，使工件表面温度急剧升高，材料熔化、气化，产生黑洞效应，使材料吸收率提高，迅速加热切割区材料。此时吹氧可以助燃，并提供大量热能，使切割速度提高；还可吹走熔渣、保护镜头、冷却镜头。为了提高工件材料吸收系数，切割前对工件进行黑化处理，最简单的方法是涂墨汁。激光切割采用CO2激光或YAG激光器，进行二维和三维的切割加工，具有切割精度高的特点。激光源功率大小不等，从5W到90kW均有系列的产品，钣金件的激光切割主要是采用100W~1500W的功率激光。当激光源的输出功率小于1500W时，激光源为单模振荡模式，可进行0.2mm宽度的切割，该以功率切割之后干净平整；当激光源的输出功率大于1500W时，激光源为多模振荡模式，可进行lmm宽度的切割，但该以功率切割之后会有少量的污物。对厚板切割时需采用辅助气体配合，辅助气体包括空气、氧气和氮气等，其中氮气可以在切割过程中防止切面的氧化，氧气适用于厚度较大板的高速切割情况。激光切割可采用CAD或CAM技术，为加工工件模型和激光器提供加工信息和加工参数，可快速高精度的完成生产，实现自动化的切割。，激光切割无需重更换模具，可以实现生产准备周期缩短，生产成本降低的效果。激光焊接技术激光焊接可分为脉冲焊接和大功率的连续焊接。激光焊接是利用极高能量密度的激光束熔合材料，具有焊接速度快、强度高、焊缝窄、热影响区小，并且工件变形量小，后续处理工作量少，灵活性高等优点。激光焊接不仅能焊接常见的碳钢和不锈钢，还能焊接使用传统焊接方法难以焊接的材料，如结构钢、铝、铜等金属，且能够焊接各种形式的焊缝如图1所示图1适用于激光焊接的焊缝类型现代钣金制造对焊接强度和外观效果等质量的要求越来越高，尤其是高附加值且对焊接质量要求极高的部件，可以采用无需后续加工或者极少后续加工的方式来完成。而传统的焊接手段，由于极大的热量输入，不可避免的会带来工件扭曲变形等问题，因此为了弥补工件变形，需要大量的后续加工手段，从而导致费用的上升。而激光焊接具有最小的热输入量，因此带来极小的热影响区，在显著提高焊接产品品质的同时，减少了后续工作的时间。另外，由于焊接速度快和焊接深宽比大，能够极大地提高焊接效率和稳定性，因此激光焊接在钣金制造中的应用越来越普遍，相关案例如图2所示。图2激光焊接在钣金制造中的一些实例激光熔覆技术激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光使粉末熔化凝固并与基材表面形成冶金结合的熔覆层。激光熔覆技术可极大的提高零件表面的硬度、耐磨性、抗腐蚀性，同时还可以循环再制造，节约零件使用成本，延长使用寿命。激光熔覆广泛应用于航空、军事、石油、化工、医疗等各个方面。采用激光熔覆技术如图3所示，在金属部件表面熔覆具有特殊性能的金属基复合材料涂层，对磨损部位进行表面改性与强化，成为工程机械领域修复部件、延长零件使用寿命的重要途径。这些与低强度母材为冶金结合的熔覆层，其化学成分、微观组织和力学性能比母材有很大提高，可以获得耐高温、防腐蚀、耐磨损等优异性能。表面涂层技术由于能获得与基体结合良好，厚度适中的表面改性层而被广泛应用于工业生产中。利用激光熔覆技术的优势在于节约昂贵的、具有战略价值的合金元素，使得晶粒细化、提高合金元素的固溶度、微观结构均匀化和改善铸造零件的成分偏析，甚至形成非平衡相和非晶态等。图3激光表面熔覆激光表面淬火技术激光表面淬火是用高能激光束快速扫描工件表面，在表面极薄一层的小区域内（光斑大小）快速吸收能量而使温度急剧上升。由于金属基体优良的传热导热性，表面热量迅速传到工件的其它部分，从而在极短的瞬间完成自冷淬火，实现工件表面的相变硬化。由热处理理论知道，材料热处理后的硬度与温度的变化速率有密切关系。变化速率越大，硬度越高，耐磨性越好。激光淬火后，在工件表面可得到晶体细化、组织致密的马氏体和莱氏体，表层石墨消失，碳化物含量增加，弥散度提高，在次表层产生残余奥氏体。对铸铁材料来说，工件表面硬度大幅度提高后，硬度可从原来HV180～250提高到HV1000左右，耐磨性提高3～4倍以上，而且工件表面的抗疲劳性能和抗腐蚀性能也获得明显提高。激光表面淬火技术解决了许多常规热处理工艺无法解决的问题，如薄壁件的淬火、内孔零件的表面处理等，已大量应用于冶金、汽车、模具、五金、轻工，机械制造等行业，适合各种零件的热处理，如图4所示即为激光表面淬火在五金工具中的应用。图4斜口钳刃口淬火和凸轮表面淬火激光打孔技术激光打孔技术是激光材料加工技术中最早实现实用化的激光技术。钣金车间中激光打孔一般采用的是脉冲激光，能量密度较高，时间较短，可以加工1μm的小孔，特别适用于加工具有一定角度和材料较薄的小孔，还适合加工强度硬度较高或较脆较软材料的零件上的深小孔和微小孔。激光可实现燃气轮机的燃烧器部件打孔加工，打孔效果可实现三维方向，数量可达到上千个。可打孔的材料包括不锈钢、镍铬铁合金和哈斯特洛依（HASTELLOY）基合金。激光打孔技术不受材料的力学性能影响，实现自动化比较容易。激光成形技术激光成形技术包括激光冲击成形技术和激光弯曲成形技术等，可实现加工弯曲的板材、半球体和球体和异形截面的零件。还可以在复杂管件上加工出凸凹的造型。激光冲击成形技术是采用激光源对钣金件的覆层照射，钣料覆层受热后产生塑性形变。激光弯曲成形技术是采用激光源对工件需要弯曲的部位进行照射，受热后急剧冷却，产生弯曲形变，激光弯曲成形技术特别使用于钣金零件弯曲成形的大批量生产。激光珩磨技术激光珩磨是将激光和珩磨工艺结合起来的一项新技术，是在20世纪90年代后期，由德国格林（Gehring）公司发明并率先将其应用到气缸孔的表面处理中，不仅使气缸和活塞环的磨损量下降50%，而且使柴油发动机的柴油消耗量下降40%，颗粒排放量下降10%～30%，汽油发动机的汽油消耗量降低30%～60%，HC排放量下降约20%。此研究成果吸引了许多工程技术人员转向研究激光珩磨技术，从而使得这项技术日趋完善。激光珩磨技术就是利用具有一定能量密度的激光束，在工件工作表面上形成与润滑性能要求优化匹配的、连续均匀的、并具有一定密度(间距)、宽度、深度、角度及形状的贮存和输送润滑油的沟槽、纹路或凹腔。其加工示意如图5所示。图5激光珩磨加工示意图激光本身属于高亮度、方向性准确、激光束单色性和平行性的相干光源，并且能量密度非常高。当聚焦的激光束可以在所照射的材料上产生高温。在上万度高温的作用下，无论材料多么坚硬都会瞬间熔化并蒸发，同时产生冲击波，使材料熔化去除。在激光材料加工过程中，本质上造成局部受热熔化形成汽化材料。激光加工技术可以加工用传统方法难以实现的零件加工。比如对于箱体较大的钢件，需要加工许多不同大小的孔，这是传统的加工方法不能做到，而激光加工技术就能够实现这些要求，即使加工相同的零件，激光加工技术也具有准确性高和时间短的有点，这样产品就具有较强的市场竞争力。激光加工在二维平面中具有较强的柔性，使用激光切割机时，工件不动切割机割头处于移动状态，不会造成加工死角，使加工材料的利用率相应提高，还可以省去设备的微连接，使得激光加工设备更加简洁。激光加工设备的计算机控制系统整体控制，不用单独控制零件、设置模具和设计加工路线，就可以进行相应的加工。所以激光加工技术的工艺工序准备时间可以大幅的降低。激光加工设备加工速度快，缩短了加工时间，提高了生产效率。