激 光 加 工 技 术.ppt

激光加工技术 一 前言激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学 在材料加工方面 已逐步形成一种崭新的加工方法 激光加工 lasserbeammachining简称lbm 由于激光加工不需要加工工具 而且加工速度快 表面变形小 可以加工各种材料 已经在生产实践中愈来愈多地显示了它的优越性 所以很受人们重视 激光技术在我国经过30多年的发展 取得了上千项科技成果 许多已用于生产实践 激光加工设备产量平均每年以20 的速度增长 为传统产业的技术改造 提高产品质量解决了许多问题 如激光毛化纤技术正在宝钢 本钢等大型钢厂推广 将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态 激光标记机与激光焊接机的质量 功能 价格符合国内目前市场的需求 市场占有率达90 以上 二 激光技术在国内外发展现状激光加工是国外激光应用中最大的项目 也是对传统产业改造的重要手段 主要是kw级到10kw级co2激光器和百瓦到千瓦级yag激光器实现对各种材料的切割 焊接 打孔 刻划和热处理等 我国科研成果转化为商品的能力差 许多有市场前景的成果停留在实验室的样机阶段 激光加工系统的核心部件激光器的品种少 技术落后 可靠性差 而欧美及日本主要的大型船厂已大量采用激光加工技术 目前美国 欧洲等地区正在进行大功率光纤激光工业加工设备的开发 正在开发的有2kw 6kw输出的工业级光纤激光器的加工设备的二次开发 我国已开发出了中小功率系列工业光纤激光设备 但大功率光纤激光器工业加工应用尚是空白 在我国造船工业中几乎还没有使用激光加工技术 主要研究内容 1 激光加工用大功率co2和固体激光器及准分子激光器的引进机型研究 提高国产机水平 同时开发和研制专用配套的激光加工机床 提高激光器产品在生产线上稳定运行的周期 力争在国内建立较全面的加工用激光器的生产基地 2 建立激光加工设备参数的检测手段 并进行方法研究 3 激光切割技术研究 4 激光焊接技术研究 5 激光表面处理技术研究 6 激光加工光束质量及加工外围装置研究 激光加工的原理 激光加工是以激光为热源对工件进行热加工 从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上 其焦点处的功率密度高达107 1012瓦 厘米2 温度高达1万摄氏度以上 任何材料都会瞬时熔化 气化 激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接 打孔和切割等加工的 通常用于加工的激光器主要是固体激光器和气体激光器 使用二氧化碳气体激光器切割时 一般在光束出口处装有喷嘴 用于喷吹氧 氮等辅助气体 以提高切割速度和切口质量 由于激光加工是无接触式加工 工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力 所以激光加工的速度极快 加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音 由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节 因此激光加工可应用到不同层面和范围上 加工过程大体上可分为如下几个阶段 1 激光束照射工件材料 光的辐射能部分被反射 部分被吸收并对材料加热 部分因热传导而损失 2 工件材料吸收光能 3 光能转变成热能是工件材料无损加热 激光进入工件材料的深度极浅 所以在焦点中央 表面温度迅速升高 4 工件材料被熔化 蒸发 汽化并溅出去除或破坏 5 作用结束与加工区冷凝 1 激光切割2 激光焊接3 激光淬火4 激光熔覆5 激光微细加工 主要应用方面 激光切割工作原理 无论是哪一种激光加工的方法 都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上 在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度 使材料熔化或气化 再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走 达到切割材料的目的 1 激光熔化切割 用激光加热使金属材料熔化 然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体 ar he n等 依靠气体的强大压力使液态金属排出 形成切口 激光熔化切割不需要使金属完全汽化 所需能量只有汽化切割的1 10 激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割 如不锈钢 钛 铝及其合金等 2 激光氧化切割 用激光作为预热热源 用氧气等活性气体作为切割气体 喷吹出的气体一方面与切割金属作用 发生氧化反应 放出大量的氧化热 另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出 在金属中形成切口 由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热 所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1 2 而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割 激光氧气切割主要用于碳钢 钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料 3 激光汽化切割 利用高能量密度的激光束加热工件 使温度迅速上升 在非常短的时间内达到材料的沸点 材料汽化 形成蒸气 这些蒸气的喷出速度很大 在蒸气喷出的同时 在材料上形成切口 材料的汽化热一般很大 所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度 激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料 如纸 布 木材 塑料和橡皮等 的切割 加工优势 激光切割与其他热切割方法相比较 总的特点是切割速度快 质量高 具体概括为如下几个方面 切割质量好 切割效率高 切割速度快 非接触式切割 切割材料的种类多 激光熔覆技术 激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷 是材料表面改性技术的一种重要方法 它是利用高能激光束 104 106w cm2 在金属表面辐照 通过迅速熔化 扩展和迅速凝固 冷却速度通常达到102 104 s 在基材表面熔覆一层具有特殊物理 化学或力学性能的材料 从而构成一种新的复合材料 以弥补机体所缺少的高性能 这种复合材料能充分发挥两者的优势 弥补相互间的不足 对于某些共晶合金 甚至能得到非晶态表层 具有极好的抗腐蚀性能 激光熔覆材料 1 激光熔覆材料与基材线膨胀系数的匹配激光熔覆层中产生开裂 裂纹的重要原因之一是熔覆合金与基材之间的线膨胀系数的差异 所以在选择涂层材料时首先要考虑涂层与基材在线膨胀系数上的匹配 考虑涂层与基材的线膨胀系数差异对涂层的结合强度 抗热震性能 特别是抗开裂性能的影响 目前 大多数研究都是根据激光熔覆层与基材线膨胀系数的匹配原则进行熔覆材料的选择及成分设计的 传统的观点认为 为防止涂层开裂和剥落 涂层和基材的线膨胀系数应满足同一性原则 即二者应尽可能地接近 考虑到激光熔覆的工艺特点 基材和涂层的加热和范围内越小 熔覆层对开裂越不敏感 2 激光熔覆材料与基材熔点的匹配在激光熔覆技术中 需要对涂层材料关注的另一重要的热物理性质是其熔点 熔覆合金与基体材料的熔点之间差异过大 形成不了良好的冶金结合 3 激光熔覆材料对基材的润湿性除了考虑熔覆材料的热物理性能外 还应考虑其在激光快速加热下的流动性 化学稳定性 硬化相质点与新结相金属的润湿性以及高温快冷时的相变特性等 熔覆过程中 润湿性也是一个重要的因素 特别是要获得满意的金属陶瓷涂层 必须保证金属相和陶瓷相具有良好的润湿性 熔覆材料的分类及特点 1 自熔性合金材料自熔性合金材料按基体不同可分为镍基合金 钴基合金和铁基合金 其主要特点是都含有硅和硼 所以具有自我脱氧和自我造渣的性能 这就是所谓的自熔剂 自熔性合金材料原理是合金被重熔时 硅和硼分别形成si02和b202 并在熔覆层表面形成薄膜 这种薄膜一方面能防止合金中的元素被氧化 另一方面又能与这些元素的氧化物形成硼化酸熔渣 从而获得氧化物含量相对低 气孔率少的熔覆层 自熔性合金材料的硬度与合金的含硼量和含碳量有关 硬度随着硼 碳含量的增加而增高 这是因为硼和碳与合金中的镍 铬等元素形成了硬度极高的硼化物和碳化物 铁基合金适用于局部耐磨损且容易变形的零件 铁基合金涂层的基材采用铸铁和低碳钢 镍基合金适合于局部耐磨 耐热腐蚀的零件 所需要的激光功率密度也比熔覆铁基合金的高 钴基合金涂层适合于要求耐磨耐腐蚀和抗疲劳的零件 2 复合粉末在滑动 冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下 单纯的ni基 co基 fe基自熔性合金己不能胜任使用要求 此时可在上述的自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物 氮化物 硼化物和氧化物陶瓷颗粒 制成了金属复合涂层 复合粉末包括自粘性复合粉末和碳化物复合粉末 它们按照结构可以分为包覆型和非完全包覆型 其区别在于芯核粉末是否被包覆粉末包住 包覆型由于芯核粉末受到包覆粉末的保护 可以避免在高温时发生部分元素的氧化烧损 挥发等现象 按照功能分又可以分为硬耐磨复合粉末 如co wc ni wc 耐高温复合粉末 耐腐蚀抗氧化复合粉末 减磨润滑复合粉末等 自粘性复合粉末是指在热喷涂的过程中 粉末自己产生的放热反应驱使涂层和基材表而形成良好结合的一类热喷涂材料 碳化物复合粉末是由碳化物硬质合金作为粘结相所组成的粉末体系 包括 co ni wc和 nicr nicral cr3c2等系列 这些材料具有很高的硬度和良好的耐磨性 其中 co ni wc适合于低温的工作条件 而 nicr nicral cr3c2系列则适合于高温工作环境 3 氧化物陶瓷粉末氧化物陶瓷粉末具有良好的抗高温氧化相隔热 耐磨 耐腐蚀等性能 是一种重要的热喷涂材料 包括氧化铝和氧化镍系列 其中氧化镍陶瓷粉末比氧化铝陶瓷粉末具有更低的热传导性和更好的抗热震性 所以主要被用作热保障层材料 激光熔覆工艺方法 1 工艺方法分类根据合金供应方式的不同 激光熔覆可以分为两种 合金同步法和合金前置法 2 基材熔覆表面预处理为了去除基材熔覆部位的污垢和锈蚀 3 预热和后热处理其作用就是防止基材的热影响区发生马氏体相变从而导致熔覆层产生裂纹 因此 适当减少基材与熔覆层之间的温差来减低熔覆层冷缩产生的应力 增加熔层液相滞留时间能利于熔层内的气泡和造渣物质的排除 实际生产过程中常采用预热的方法消除或减少熔覆层的裂纹 特别是对于易于开裂的基材必须预热 在熔覆层裂纹倾向较小的情况下 有时也采用预热减小熔覆应力和提高熔覆质量 预热的方法主要有火焰枪加热 感应加热和火炉内加热等 其中前两种加热常用于基材表层一定范围内的预热 并可实现预热和激光熔覆同步进行 4 激光熔覆工艺过程因为激光熔覆工艺是一个复杂的物理 化学和冶金过程 也是一种对裂纹特别敏感的工艺过程 其裂纹现象和行为牵涉到激光熔覆的每一个因素 包括基材 合金粉末 前置方式 预涂厚度 送粉速率 激光功率 扫描速率 光斑尺寸等多种因素各自和相互间的影响 激光熔覆技术的应用 1 汽车制造业 2 航天航空业 3 石油工业 4 热能动力工业激光熔覆的实际应用存在的问题 激光处理设备的能量分布均匀性和稳定性以及配套装置尚未达到工业生产应用的水平 激光熔覆处理要求大功率激光束的稳定性 对光斑的能量均匀分布要求较高 激光熔理当前存在的主要问题是熔覆层表面不平整 后续机加工量较大 且合金层与基体的交界处易出现裂纹和孔洞等缺陷 给实际应用带来很大的困难 目前 激光处理系统的固定资产及维持费用相对常规的堆焊和喷镀层来说比较昂贵 这就使得激光处理过的产品成本较高 这也是激光熔覆处理还没有大规模地在油田上实际应用的主要原因之一 综上所述 激光熔覆处理是