激光技术在现代制造业中的应用

激光技术在现代制造业中的应用激光技术在现代制造业中的应用激光：激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是通过受激发射光扩大。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光加工技术的原理和特点：激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。激光束作为一种特种加工能源(热源)，和传统的加工用热源相比，具有一系列特点〔“〕。激光束易于传输，其时间特征和空间分布容易控制;经过聚焦后，可以得到细的光斑，具有极高的功率密度;可以加热熔化以至汽化任何材料，可以局部区域的精细的快速加工;加工过程输入工件的热量小，热影响区和热变形小;加工效率高;容易实现自动化。激光加工有热加工[3]和“冷加工”两种。现在大量用于激光加工的COZ和YAG激光为红外光，它们辐射在金属或非金属工件上，基于热效应，使工件升温、熔化或汽化，以完成各种加工，称其为热加工。准分子激光激光器输出紫外光，它有可有对聚合物等非金属材料进行基于化学作用的剥蚀加工，这种“冷加工”技术正在开发，并有可能在电子工业中得到较大程度的应用。但是，激光加工的主流还是基于热效应的加工。1激光在切割方面的应用激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑照射工件,材料吸收光能,温度急剧升高,将材料快速加热至熔化或气化温度,再用喷射气体吹化,以此分割材料。在这一过程中,当激光照射工件表面时,一部分光被工件吸收,另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,材料熔化或气化,同时,产生黑洞效应,使材料对光的吸收率提高,迅速加热熔化或气化切割区材料。此时吹氧可以助燃,并提供大量的热能,使切割速度提高等。切割宜用连续输出激光器。激光切割是激光加工应用最广泛的一项技术。它有很多特点:激光可切割特硬、特脆及特软材料、高熔点的难加工材料;切缝宽度很窄;切割表面光洁;切割表面热影响层浅,表面应力小;切割速度快,热影响区小;无机械变形、无刀具磨损,容易实现自动化生产。适合加工板材。在工业机械生产制造中,激光技术国家实验室和武汉法利莱联合研制的WALC4020宽幅面数控激光切割机可以达到上述要求,除此之外,它还有直线电动机驱动、专有光束质量调整系统、自动聚焦、打孔切割双流量控制系统等结构,这些技术的创新使WALC4020宽幅面数控激光切割机的切割技术性能超过同类产品,达到国际先进水平。2激光在焊接方面的应用激光焊接是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照射到工件上,使工件受热熔化,然后冷却使工件得到焊接。激光焊结熔深大,速度快,效率高;激光焊烧区窄,热影响区很小,工件变形也很小,同时,焊缝小,可实现精密焊接;焊接结构均匀,品粒很小,气孔少,夹杂缺陷少,在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。目前,激光深熔焊接在粉末冶金材料加工领域中的应用也越来越多。激光焊接能量密度高,对高熔点、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。目前,汽车行业将不同材质的薄钢板实施激光拼接焊后冲压成型,激光拼接焊取代了电焊。同时,通过光纤传输的多路激光束进行多点或多组件焊接越来越普及。在远离装配区的位置装置一台中心激光器(YAG),激光器产生的光束经由一根柔性的激光光缆传送至需要加工的地点由工人操作进行焊接,从而最大限度的利用YAG系统的焊接效果。由于YAG激光器可利用光纤传输能量进行远距的焊接,将大大促进高功率YAG激光焊的发展。3激光在热处理方面的应用激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法。如当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时,其表面迅速奥氏体化,然后急速自冷淬火,金属表面迅速被强化,即激光相变硬化(激光淬火)。激光表面热处理技术包括激光相变硬化技术、激光涂覆技术、激光合金化技术、激光冲击强化技术等,这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。经激光处理后,铸铁表面硬度可以达到HRC60度以上,中碳及高碳的碳钢,表面硬度可达HRC70度以上,从而提高了材料的抗磨性、抗疲劳、抗氧化、耐腐蚀等性能同,延长其使用寿命。激光热处理技术与其它热处理如高频淬火,渗碳,渗氮等传统工艺相比,具有以下特点:1)无需使用外加材料,仅改变被处理材料表面的组织结构。处理后的改性层具有足够的厚度,可根据需要调整深浅一般可达（0.1～0.8)mm。2)处理层和基体结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合,而且处理层表面是致密的冶金组织,具有较高的硬度和耐磨性。3)被处理件变形极小。由于激光功率密度高,与零件的作用时间极短(10-2-10秒),故零件的热变形区和整体变化都很小。故适合于高精度零件处理,作为材料和零件的最后处理工序等。4)加工柔性好,适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部分,从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等;也可进行选择性的局部处理等。由于激光热处理有相当明显的优点,解决了传统金属热处理不能解决或不容易解决的技术难题,在国内外受到高度重视,激光热处理得到迅速的发展。激光热处理技术在汽车工业中应用广泛,如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理,同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。4激光在快速成型方面的应用传统的工业成型技术大部分是遵循“去除法”,如车削、铣削、钻削、磨削等;另外一些是采用模具进行成形,如铸造、冲压等。激光快速成形技术集成了激光技术、CAD/CAM技术和材料技术的最新成果,根据计算机设计出的零件的CAD模型立体图形,直接制造出模型,它制造模型的办法是在一层接一层的基础上不断添加材料。激光快速成型方法有液态光敏聚合物选择性固化、薄型材料选择性切割、丝状材料选择性熔复、粉末材料选择性烧结。激光快速成型技术在模具制造中的应用最为广泛,可以用快速成型件直接制作模具;用快速成形件作母模,翻制软模具;用快速成形件翻制硬模具。用快速成形技术制作模具,既避开了复杂的机械切削加工,又可以保证模具的精度,还可以大大缩短制模时间、节省制模费用,对于形状复杂的精度模具,其优点尤为突出。该技术己在航空航天、电子、汽车、家电等工业领域得到广泛应用。但是,目前还存在着模具寿命相对较短的缺点,即使是金属面、激光加工技术在机械加工业中的应用万周政(湖南省岳阳职业技术学院机电工程系湖南岳阳414000)摘要:本文介绍了激光加工技术的优点、及在机械加工中的切割、焊接等几个方面应用的特点、现状及发展前景。硬背衬模具,其使用寿命也不及真正的金属模,所以快速成形模具较适合于单件小批量生产。5激光在孔加工方面的应用激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术,也是激光加工的主要应用领域之一。随着近代工业和科学技术的迅速发展,使用硬度大、熔点高的材料越来越多,而传统的加工方法已不能满足某些工艺要求。例如在高熔点金属钼板上加工微米量级孔径;在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔等,这一类的加工任务用常规机械加工方法很困难,有时甚至是不可能的,而用激光打孔则不难实现。激光束在空间和时间上高度集中,利用透镜聚焦,可以将光斑直径缩小到微米级从而获得(105～1015)W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度几乎可以在任何材料实行激光打孔,而且与其它方法如机械钻孔、电火花加工等常规打孔手段相比,具有以下显著的优点:1)激光打孔速度快,效率高,经济效益好;2)激光打孔可获得大的深径比;3)激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行;4)激光打孔无工具损耗;5)激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔;6)激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工;另外,由于激光打孔过程与工件不接触,因此加工出来的工件清洁,没污染。因为这种打孔是一种蒸发型的、非接触的加工过程,它消除了常规热丝穿孔和机械穿孔带来的残渣,因而十分卫生。而且激光加工时间短,对被加工的材料氧化、变形、热影响区域均较小,不需要特殊保护。激光不仅能对置于空气中的工件打孔,而且也能对置于真空中或其它条件下的工件进行打孔。由此可见,激光是一种高质量、快速打孔的有效工具。国内外激光加工的发展现状由上可见,激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门,对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。德国为了推广激光加工技术,除了建立9个国家级激光中心外,还大量建立激光加工站;同时在大、中、小型企业积极建立激光加工生产线,例如:大众汽车厂的齿轮激光加工生产线;奔驰汽车厂共有18个厂房,其中有8个厂房安装了激光加工生产线。美国是世界上最早建立激光加工站的国家,1996年的统计结果表明,美国激光加工站的年收入已逾60-80亿美元,在美国激光加工站(jopshop)已超过1765家,这对于在美国推广激光加工技术起着重要的作用。激光切割和焊接等在日本电子、电机、汽车、车辆零部件,OA机器等小件、大批量生产中得到迅速发展。总之,日本产业界应用激光加工技术是最为普及的。我国在20世纪90年代初,在武汉建立了国家级的激光加工工程研究中心,以期达到在全国起到示范和推广的目的。北京、上海等地方和部委联合建立激光加工工程研究中心,另外,很多地方政府以及众多科研机构和高校也建立了激光加工研究中心来进行激光加工技术研究和推广,已经取得了比较满意的效果。例如,天津冷轧薄板厂由于采用了激光毛化技术,将面临倒闭的企业起死回生,仅1995年生产了6亿元的激光毛化钢板,出口创汇数千万美元;又如西安内燃机配件厂建立了12条缸套激光热处理生产线,将缸套寿命提高了1~3倍,现已在全国范围推广。因此,发展激光产业将带动传统工业的改造和发展。然而作为未来世界加工工厂的中国,目前只有一百三、四十家类似国外的激光加工站,因此,很必要加大力度进行推广。参考文献[1]赵志修.机械制造工艺学[M].机械工业出版社,1991,5.[2]冷箭利.激光加工技术在机械工业中的应用[J].金属加工世界,2007,5.[3]刘江龙,邹至荣.激光相变硬化机理[N].全国高能密度热处理学术年会,1985,12[4]曹朝霞《包头职业技术学院学报》2004年03期