激光熔覆技术的发展现状.doc

激光加工技术的研究现状（材料加工工程 杨刘波 2009100107）摘要：本文介绍了激光加工技术及特点，重点阐述了激光焊接、激光快速成型和激光熔覆等典型激光加工技术的应用及研究现况。关键词：激光加工；激光焊接；激光快速成型；激光熔覆Present Status of Research on Laser Processing TechnologyAbstract: The laser processing technology and characteristics are introduced with an emphasis on the application and present status of the laser welding, the laser rapid prototyping and the laser cladding.Keywords: laser processing; laser welding; laser rapid prototyping; laser cladding0前言激光是一种高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的光，激光在材料加工领域的研究始于70年代初，到80年代已经发展成为表面工程,摩擦学,应用激光等领域的前沿性课题1。其高能量密度特点奠定了在材料加工领域的应用价值。激光焊接、激光快速成型和激光熔覆等都是应用了它的这方面的特点。激光加工技术为现代工业的发展做出了巨大的贡献。当前用于激光加工的激光器主要有四类类:CO2气体激光器、掺钕钇铝石榴石（YAG）固体激光器2、准分子(Excimer)激光器和铜蒸汽激光器等。但随着半导体激光技术的迅速发展，使得二极管激光器、二极管泵浦全固体化激光器、光纤激光器和超短脉冲激光器必然进入材料加工业，特别在微细加工中的应用增长更快3。同时，在对激光器研究中，不仅关注提高功率和光束质量两个方面，也更加关注起工作稳定性和加工能力等方面。1激光技工技术的特点 激光是一种高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的光，它是通过一定物质（激光物质）的受激辐射而获得的。此外，激光的空间控制性和时间控制性很好，易获得超短脉冲、尺度极小的光斑，能够产生极高的能量密度和功率密度，特别适用于材料自动化加工，而且对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大。与计算机数控技术相结合，激光加工系统为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔道路，激光加工技术已成为工业生产自动化加工生产的关键技术，并具有普通加工技术所不能比拟的优势。激光加工为无接触加工，其主要特点也就是无惯性，因此其加工速度快、无噪声。由于光束的能量和光束的移动速度都是可以调节的，因而可以实现各种复杂面型的高精度的加工目的。且加工过程中无“刀具”磨损，对工件无“切削力”4。激光束不仅可聚焦，而且可以聚焦到亚微米量级，光斑内的能量密度或功率密度极高，用这样小的光斑可以进行微区加工，也可以进行选择性加工。它不仅可以进行金属加工，还可以实现对非金属的加工，特别适合于加工高硬度、高脆性及高熔点的材料，如钻石打孔、金属切割。由于光束照射到物体表面是局部的，虽然加工部位的热量很大、温度很高，但移动速度快，对非照射的部位没有什么影响。因此，其热影响区很小。例如，在热处理、切割、焊接过程中，加工工件基本无变形，可省去或减少后继加工量。这一特点也可以成功地用于局部热处理和显像管的焊接。激光加工不受电磁干扰。与电子束加工相比，其优越性就在于可以在大气中进行。在大工件加工中，使用激光加工比使用电子束加工要方便得多。激光束易于导向、聚焦和发散。根据加工要求，可以得到不同的光斑尺寸和功率密度。通过外光路系统可以使光束改变方向，因而可以和数控机床、机器人连接起来，构成各种加工系统。这是一种极灵活的柔性加工系统，对于改造传统的机床和机器人是一种极好的方法。激光加工技术具有的优越性使其在机械、电子、冶金、汽车、石油和国防等领域得到了广泛应用，并产生了巨大的经济效益和社会效益，应用前景是十分广阔的。2激光加工技术的应用2.1 激光焊接技术2.1.1 激光焊接概述 激光焊接是利用激光束作为热源，将被焊材料熔合而实现连接的一种焊接方法。根据激光器输出能量的方式，可分为脉冲激光点焊和连续激光焊；根据激光聚焦后焦点上的功率密度的不同而导致的焊缝成形机理和特点的差异，又可分为熔化焊和小孔焊。激光焊接实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，这个过程及其复杂，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、气化等现象。2.1.2 激光焊接的特点5(1)聚焦后的功率密度可达到105 - 107W/cm2，甚至更高，加热集中，热影响区很窄，特别适宜于精密焊接和微细焊接; (2)可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时可不开坡口一次成形; (3)适宜于南熔金属，热敏感性强的金属以及热物理性能差异悬殊、尺寸和体积悬殊工件的焊接; (4)可穿过透明介质对密封容器内的工件进行焊接; (5)可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位; (6)激光束不受电磁干扰，无偏磁现象存在，适宜于磁性材料焊接; (7)不需要真空室，不产生X射线，观察及对中方便。2.2 激光快速成型技术2.2.1 激光快速成型概述6,7激光快速成型技术是20纪80年代中期发展起来的一种原型制造技术，综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料技术,可以自动、直接、快速及精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及进行功能试验，大幅缩短了产品的研制周期。其基本原理是先在计算机中生产产品的CAD三维实体模型，再将它“切成”规定厚度的片层数据（变换成一系列二维图形数据），用激光切割或烧结办法将材料进行选区逐层叠加，最终形成实体模型。由于其具有快速灵活、适合任何形状、高度柔性以及高度集成化等优点而广泛应用于机械、汽车、电子、通讯和航空航天等领域。成型系统的主体结构是在一封闭成型中装有2个活塞机构(见图1)，1个用于供粉(称为供粉活塞)，另1个用于成型(称为成型活塞)。成型过程开始，供粉活塞上移一定量，铺粉辊将粉末均匀地铺在工作平面上。激光束在计算机的控制下，透过激光窗口，以一定的速度和能量密度，对粉末层进行有选择的照射，使被照射粉末达到其烧结温度，粉末颗粒问发生表层粘接，从而烧结在一起，这样零件的第一层就制造出来了。 这时，成型活塞下移一定距离，这个距离与设计零件的切片厚度一致，而供粉活塞上移一定量。铺料辊在已烧结层上再铺一层粉。这样逐层烧结形成三维实体。2.2.2 激光快速成型特点 (1)成型过程与零件复杂结构无关，是真正的自由成型; (2)成型材料范围广，开发前景广阔; (3)成型速度相对较快，精度高; (4)材料无浪费，未烧结的粉末可重复使用。2.3 激光熔覆技术2.3.1 激光熔覆技术概述 激光熔覆技术是利用激光作为热源，在材料表面熔覆一层具有特殊性能的材料，以改善材料的性能，在原理上与已有的堆焊和喷熔（焊）基本相同。激光熔覆的研究始于70年代初,到80年代已经发展成为表面工程,摩擦学,应用激光等领域的前沿性课题。进入90年代后,呈现出了科学研究与应用开发蓬勃发展的大好局面8。激光熔覆在材料表面处理方面倍受关注,激光熔覆层的结合为冶金结合,组织极细,熔覆层成分及稀释率可控,热变形小,易实现选区熔覆,工艺过程易实现自动化。激光熔覆技术已经在活塞环、缸套、刀具、模具、阀体等应用上取得了一定的成果。激光熔覆组织是一种快速凝固组织,它的形成与熔覆材料成分、工艺参数密切相关。它的基本特征是组织细小均匀,基体固溶度增大,形成亚稳相,且易于实现自动化,从而具有优异的性能9,10。2.3.2 激光熔覆的特点 激光辐射能量的特点使得熔覆层材料不为基体冲淡，从而能获得低稀释率的熔覆层。这样，既保证了原熔覆材料的优异性能，又对基材的热影响减少到最小限度，引起的变形和开裂小11。所以,它既可以满足对材料表面的使用要求,又不改变材料的整体特性。激光熔覆是在低成本的材料上制成高性能表面,极大地挖掘了材料的使用潜能,节约昂贵稀少的合金元素12。激光熔覆技术的优点有13, 14: (1)可通过混合不同合金粉末进行成分设计,得到完全致密的冶金结合涂层; (2)由于快速的加热和冷却过程, 激光熔覆层组织均匀致密,微观缺陷少,性能优于其它工艺; (3)激光束的功率、位置和形状等能够精确控制,易实现选区甚至微区熔覆,且对基体的热影响甚微; (4)属于无接触型处理,便于自动化,实现柔性加工。3激光加工技术的研究现况随着对激光加工技术的研究，并与计算机控制系统的紧密结合，激光在材料加工领域会得到更进一步的发展。工艺的自动化和工作效率仍是研究的重点，更主要的是其研究驱动力是来源于工业的发展。如激光加工技术在电子工业和汽车工业中应用，不仅表现了激光在微加工方面的优越性，更以其高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点，在汽车工业中充分发挥了其先进、快速、灵活的加工特点。从发展趋势来看，激光加工技术将进一步广大其应用范围，不断追逐高精度、高质量、高效率等生产指标，必将在制造、医疗、科研和艺术等领域发挥越来越大的作用。参考文献1闫忠琳,叶宏. 激光熔覆技术及其在模具中的应用J.激光杂志, 2006, 27(2): 73-74.2谢建新. 材料加工新技术与新工艺M.北京：冶金工业出版社，2004.3宋威廉. 用于激光加工的激光器及其特点J. 激光与红外,1997,27(6)：323-325.4 江海河. 激光加工技术应用的发展及展望J. 光电子技术与信息, 2001, 14(4): 1-12.5 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册M. 北京: 机械工业出版社, 2001.6 宋敏. 快速成型技术及应用J. 光机电研究论坛, 2008, 7: 43-47.7 王雅先, 尉富恩, 王科峰. 激光快速成型技术的应用J. 轻工机械, 2006,24(4): 143-145.8 刘其斌,朱维东,邹龙江等.宽带激光熔覆工艺参数对梯度生物陶瓷复合涂层组织与烧结性的影响J.生物医学工程学杂志, 22(6): 1193-1196.9Wu Run, Xi Changsheng, Cai Weiping. Laser-melted surface layer steel X165CrMoV 12-1 and its tempering characteristicsJ。Mater.Sci Eng, 2000, A278:1-4.10Miller J. E,W ineman J. A. Cladding of Ni-Cr-B-Si coating with a high power diode laserJ.Metal progress,1997, 111: 38-4.11孙荣禄,杨德庄,郭立新等.激光工艺参数对钛合金表面NiCrBSi合金熔覆组织及硬度的影响 J.光学技术, 2001, 27(1): 34-36.12Abbas G, West D R F. Lase