工艺技术_激光制造技术的应用现状和展望

1 激光制造技术的应用现状和展望 左铁钏 陈继民 北京工业大学激光工程研究院国家产学研激光技术中心 北京 100022 摘要随着激光制造技术的发展激光制造已在各个行业得到越来越广泛的应用本文从激光制造系统的 发展历程入手介绍了激光制造技术在汽车钢铁电子航空和机械等领域的具体应用以及激光切割 焊接熔覆等方面的应用现状对激光制造技术的发展方向做了展望并对加快我国激光制造技术的应用 提出了建议 关键词激光 制造 应用 展望 0 前言 随着人类进入信息时代以计算机为核心的信息技术迅速发展和广泛应用使传统制造业发生 了巨大变化激光制造技术作为一种具有高度柔性和智能化的制造技术随着高科技技术的发展 也迅速发展起来成为材料加工的一个重要的发展方向激光制造技术具有许多传统制造技术无法 比拟的诸多优势被誉为未来制造系统的共同加工手段特别是随着 CAD/CAM 技术的成熟和 进行虚拟制造的出现结合激光制造易控灵活智能化的特点激光制造技术为传统制造业 注入了新的生机和活力同时激光制造技术是一种符合可持续发展战略的绿色制造技术例如 材料浪费少在大规模生产中制造成本低根据生产流程进行编程控制自动化在大规模制造中 生产效率高可接近或达到冷加工状态实现常规技术不能执行的高精密制造对加工对象的 适应性强且不受电磁干扰对制造工具和生产环境的要求大大降低噪声低不产生任何有害的 射线与残剩生产过程对环境的污染小等等激光制造技术必将以其无可替代的优势成为 21 世纪迅 速普及的高新技术 1 激光制造系统发展现状 用于制造业中的激光系统即激光制造系统一般由激光器,激光传输系统,激光聚焦系统,控制系 统,运动系统,传感与检测系统的组成其核心为激光器激光作为热源或光源能量成为激光制造 中的刀具刀具的质量直接影响着加工制造的结果 对激光光束质量的好坏可以采用光束远场发散角光束聚焦特征参数值 Kf 和衍射极限倍因子 M2(M)或光束传输因子 K 值来表示现在通用的是采用国际标准化组织ISO在激光光束宽度 发散角和辐射特性系数的试验方法中推荐的光束传输因子 K 或衍射极限倍因子 M2来评价光束质 量的好坏对小功率激光器工作物质均匀稳定一般可以实现基模输出其光束横截面能量分布 为高斯分布且在传输过程中保持不变光束质量较好对于大功率激光器一般不易得到基模输 出往往输出的为多模激光束激光光束质量变差图 1目前工业上常用的大功率激光器有 CO2 激光器和 YAG 激光器两种大功率激光器的工业应用领域很广激光切割激光焊接都需要优良的 光束质量而追求高光束质量的大功率激光是工业用激光器不断发展的目标 2 从 1 9 6 4 年 P a t e l首先发现 C O 2激光器出现到现在 经过近四十年的发展 从封离式 C O 2 激光器 慢速轴流 C O 2 激光器横流 C O 2 激光器到高频罗兹泵型快速轴流射频 t u r b o 型快速轴流以至目前 出现的扩散型 S l a b C O 2激光器, 一方面激光输出功率不断提高体积不断缩小另一方面激光器的 效率不断提高光束质量越来越好扩散型 S l a b C O 2激光器光束横截面上光强分布接近高斯分布 如图 2具有极好的光束质量在加大的激光加工工作区焦点的漂移很小非常有利于大范围激 光传输与聚集这对大尺寸工件的切割应用非常重要 工业用固体 Y A G激光器也经历了从小功率灯泵浦棒状灯泵浦板条双灯泵浦多棒 到光纤泵浦棒状半导体泵浦棒状和片状固体激光器的过程由于受工作物质热物理性质的 制约Y A G激光光束质量模式相对较差如何提高光束质量和激光功率仍是 Y A G激光器面临的主 要问题 值得注意的是近年来发展起来的的半导体激光器半导体激光器的意义在于它的小型化极高 频率与光纤的良好耦合易于调制等优良特性因而具有广阔的应用前景 2 激光制造的应用 激光它在制造业中有着广泛的应用尤其在发达国家激光的应用已经成为一种通用的加工工 具已广为人知在汽车制造钢铁工业电子工业航空航天船舶制造机械冶金以及模具制 造业已形成了焊接切割打孔刻槽成形标记表面热处理改性和掺杂等十几种应用工艺 图 1 激光功率与光束质量的关系 图 2 扩散型 S l a b C O 2 激光器光束截面强度分布 3 激光焊接在汽车工业中的应用也越来越广泛世界著名的汽车制造公司都竞相在车身加工中采 用激光焊接技术汽车车用齿轮的激光焊接利用激光焊接可以将不同厚度材质强度冲压性 能和不同表面处理状况的板坯拼焊在一起用来压制大型覆盖件以及车身的激光远程焊接取代电 阻点焊 激光三维切割取代汽车覆盖件的冲孔切边修边模具模具制造的周期长成本高且使用 寿命有限不利于产品的更新换代以汽车覆盖件的模具制造为例制造一套冲压模具少则一到 两个月多则半年到一年一副零件模具加工成本达百万元以上人民币用激光三维切割技术将 激光束聚焦到几毫米直径切割各种材料只需几分钟甚至几秒钟就可完成大大节约了生产时间 激光切割的热影响区小切口平滑无毛刺无须对切口进行清理可直接使用激光加工的柔性 好只要更改切割程序就可切割不同形状的孔或修不同形状的边由于激光切割取代模具的优势 显著德国大众汽车公司早在1986年就采用了激光柔性机器手切割系统之后德国奥地日本尼 桑美国福特汽车公司等各世界大汽车厂无不采用激光三维切割取代修边模北京工业大学激光工 程研究院完成的国家自然科学基金的重点项目大功率CO2及YAG激光三维焊接和切割机理与技术 的研究取得了突破性成果并且成功地应用在一汽轿车的生产中如图3使我国激光三维 加工的理论和实践上了一个新台阶 激光熔覆技术是材料表面改性技术的一种重要方法它是利用高能密度激光束将具有完全不同 成分和性能的合金及基体材料表面快速熔化从而在基体表面形成与基材具有完全不同成分和性能 且与基材冶金结合的合金层在再制造工程中对大型贵重设备进行激光熔覆修复是一种绿色制 造技术有着重要的应用传统的热喷涂它可以在材料表面获得均匀平整的合金或陶瓷涂层而 且效率比较高但缺点是涂层与基体仍属机械结合结合强度不够激光熔覆能使合金层与基体达 冶金结合并且几乎能够熔所有的合金或陶瓷北京工业大学采用激光熔覆技术制造线材轧辊,不仅 可以节省大量高温合金,降低制造成本而且工艺简单具有广阔的发展前景 在电子产品的生产中如显示器或电视机显象管的防爆圈过去采用电阻点焊需要上下 两个电极为满足结合要求和外形要求各点焊熔点之间要保持一定间隔若遇到开口较小的结构 区域电极不能进入待焊处这对焊接设计有一定限制同时电阻点焊的熔核直径较大往往须后 序处理用激光进行焊接光束直接照射焊接部位激光头与工件无任何机械接触不存在加工机 械应力焊缝宽度只有1 mm左右外形美观焊缝的强度高于母材而且减轻了工件的重量简化 了后续工艺缩短了加工时间效益显著 在航空工业中铝合金由于重量轻无磁性热导率和强度高良好的成形性低温性能耐 腐蚀性能,被广泛地应用于各种焊接结构和产品之中与传统的TIG焊MIG焊相比,激光焊接是一种 功能多适应性强可靠性高的精密焊接方法由于高的功率密度,焊接时热输入量低,在保证熔深的 图 3 汽车覆盖件的 CO2 激光加工系统 4 基础上,焊接热影响区小,焊接变形小,激光焊接不需要真空装置,因此激光焊接具有质量高精度高 速度高的特点飞机蒙皮与筋板的激光焊接取代铆接工艺取得了突破性进展已在空中客车飞机 A380上得到应用此外航空发动机叶片的激光打孔已得到快速发展 在机械工业造船工业以及火车制造中激光焊接正逐渐被人们所瞩目尤其是激光精细打标 与传统的加工方法(如喷墨打印电火花加工机械刀刻等)相比,具有应用范围广打标速度快性 能稳定质量高运行成本低环境污染小易于用计算机控制及与其它设备实现同步运转等优点 因此,激光打标已成为激光重要的应用领域之一 3 激光制造技术的发展趋势与展望 20世纪是制造业从初创到辉煌的世纪由小批量生产进入了大规模生产阶段21世纪的制造业 将步入能按用户要求进行柔性加工的精益生产阶段 传统的加工工艺将不能满足新生产方式的要求 制造业领域出现的柔性模块式生产方式为激光制造提供了广阔的舞台 从宏观上看激光制造技术将向向高速度高精度智能化方向发展大功率激光三维加工与 制造技术将日趋成熟而更加普及 另一方面进入纳米科技时代后为了适应国防航空航天医学和生物工程等方面的发展需 要微机械技术得到蓬勃发展激光微制造及其相关技术是当前国际竞争的主要领域微电子产 业的规模和技术水平已成为衡量一个国家综