先进制造工艺--精密洁净铸造成形工艺.doc

第二讲 1. 精密洁净铸造成形工艺气化模铸造工艺与设备概述气化模铸造按工艺方法主要分为两种：气化模-铡压铸造（EPC-V法）和气化模-精铸-负压复合铸造（EPC-CS法）。EPC-V法铸造是气化模-振动计紧实负压工艺。它利用气化模作一次性模型和不含水分、粘结剂及任何其他附加物的干砂造型，浇注和凝固期间铸型保持一定的负压度，由此获得近零起模斜度，可直接铸螺纹及曲折通道，表面光洁、尺寸精确、无飞边的近无余量少加工精密铸件。EPC-CS法复合铸造是气化模-精铸-振动紧实负压复合铸造工艺。它是用气化模代替蜡融出，将超薄型壳埋入无粘结剂干砂中，采用振动紧实造型，浇注和凝固期间铸型保持一定的负压度，而获得表面光洁、尺寸精确的无余量精密铸件。气化模铸造是在实型铸造基础上发展起来的。实型铸造由美国H.F.Shoyer发明并于1958年获得专利。后经德国Witmoser等深入研究，1961年进入工业化生产，尤其对冶金矿山、造船和机械用大型、单件、小批量生产的铸件更为适宜，在工业生产中应用实型铸造的国家主要有美、英、法、俄、日、德、和中国等。由于实型铸造采用可消失的聚苯乙烯塑料模，不存在普通砂型铸造从铸型中取出模样的困难，简化了铸造工序，降低劳动强度和成本，提高了生产效率。但实型铸造存在着铸件表面质量差，尺寸精度低，易造成中、低碳钢铸件表面增碳和缺陷，因此限制了该工艺的发展和应用。80年代，工业发达国家，在实型铸造基础上，针对上述问题进行了研究，推出了EPC-V法铸造工艺，引起了铸造界的关注，认为这是铸造行业上的一项突破。福特、通用、菲亚特等汽车公司已开始应用该工艺生产汽车、发动机和涡轮机用铸件，如图28所示。该工艺在欧洲、美洲、日本及中国也等到大力开发和应用。然而，EPC-V法铸造工艺易于在铸件内存在气化残物和造成中、低碳钢铸件表面增碳、增氢缺陷59，一般渗碳层深度为0.52.5mm，渗碳量（质量分数）在0.01%0.6%之间，使铝合金铸件的气密性较差，从而限制了EPC-V铸造在生产铸铝、铸钢件中的应用。为此，英国Foseco公司推出了EPC-CS法复合铸造工艺。它是将实型铸造、熔模精铸造不能用于大件以及成本高、工艺复杂的不足，采用负压造型实现了无粘结剂干砂造型，解决了铸钢件增碳问题，提高了铸件质量，消除了污染。为了解决铝合金铸件气密性问题产生了气化模-低压复合铸造工艺55，这些复合铸造工艺继承了气化模铸造的优点也弥补了其不足。 图28 Fiat公司生产的铸件及气化模综上所述，这种先进的铸造技术充分显示了旺盛的生命力。气化模铸造技术的特点及应用气化模铸造是当今新兴的先进铸造技术之一，其特点如下：1）允许零件的结构设计有更大的自由度。2）稍除了起模斜度，可最大限度地减少铸件的壁厚，提高铸件的尺寸精度。3）由于实现无粘结剂干砂造型，使普通铸造法的型、芯砂运输、混制、旧砂处理及回用、制芯、下芯及分箱合型等繁复工序得以消除和减化，显著降低用于这些工序的巨大工作量和高额成本，减少影响铸件质量的人为因素，使铸件成品率和生产率大为提高。其干砂95以上可以回用而不需处理。4）落砂和清理铸件的工作量及设备大大减少。5）可实现砂型铸造无法实现的复杂部件的整体铸造，获得表面光洁、尺寸精确、无飞边的少无余量精密铸件。由于EPC-V法具有上述优点，在国内外得到广泛的应用，如武汉钢铁公司烧结备件厂建成一条年产8万支炉篦条的简易生产线；沈阳铸造研究所和工厂合作，生产了高铬、低铬铸铁和高铬钢等20多种耐磨铸件，年产量为50007000t，铸件综合成本降低13.5。在EPC-V法中，由于EPS在高温下分解的产物有一部分裂解碳聚集在铸件表面造成缺陷；铸铁件特别是球铁件表面出现积碳、皱褶等缺陷。使低碳钢、不锈钢铸件表面增碳。为了解决上述问题，美国DOW化学公司在80年代已研究开发出一种专门用于EPC-V法的EPMMA材料59，用它制作的气化模当时已在美国通用汽车公司的Saginow中心铸造厂应用，近年又在美国的其他生产厂家及日本、欧洲应用，专门用来生产球墨铸铁或低碳钢、不锈钢的EPC铸件。近年来浙江省化工研究院等也研究了EPMMA。国产的EPMMA气化模使涂料涂挂性好，燃烧及高温分解时基本上无黑烟，残留物少，浇注球铁铸件无积碳、皱皮。EPS-CS法用的气化模在浇注前已清除，因此从根本上消除了积碳、皱褶、增碳问题，可实现熔模铸造无法铸出的几百千克重的无余量精密铸件。EPS-CS法可用于铸造各种合金大型复杂的精密铸件。沈阳铸造所与沈阳第一阀门厂采用该工艺批量生产了重28kg的不锈钢阀体铸件等。该工艺也存在着EPS原材料质量差，影响铸件表面质量和尺寸精度、模具制作成本高、生产周期长等缺点。气化模以其独有的先进性、实用性在铸造行业得到广泛应用。我国在研究和应用气化模铸造技术方面已趋成熟并获得成功，但与国外相比，产量和生产规模小，机械化、自动化和专业化程度低，气化模用原材料和涂料质量与国外还有差距，制模技术不配套、不过关。由此可见，这项新技术需要研究和开发的内容还很多，发展的潜力还很大，这项80年代发展起来的铸造新技术，必将在我国铸造生产中发挥越来越重要的作用。2. 精密高效塑性成形技术热精锻生产线成套技术概述金属坯料加热到锻造温度采用模锻方法实现精密成形是现休机械零件的重要成形方法之一。机械零件中很多承力件、保安件、传动件采用了热锻成形。汽车的连杆、高速柴油机曲轴、汽车前梁、汽轮机叶片、轴承环等都是热锻的典型件。蒸汽-空气两用模锻锤曾经是热模锻生产的主要设备，由于能耗大、导向精度不高、又没有顶出装置，因而锻件精度不高。现代大批量生产的企业通常采用热模锻压力机、高能螺旋压力机、电液锤为主要锻造设备。为保证温度的一致性和高的生产率，通常采用感应加热。由于工艺技术提高，设备、模具、润滑条件改进，锻件尺寸精度和复杂程度在本世纪末均有显著提高，如汽车连杆锻件过去重量偏差在7%8%，现在普遍达到3%4%；现在曲轴锻件拐颊做到薄而深，满足了现代汽车道行驶速度提高，发动机结构紧凑，出力大的设计要求；新型轿车转向节是一个多枝叉零件，按照其复杂程度计算已经是热锻件的极限。非调质钢在汽车行业中大量应用可以利用锻件余热直接热处理，简化了工艺和设备，有显著节能、节材、节约生产面积的经济效益。工艺模拟和模具CAD/CAM技术的应用，使热锻成形新产品的设计和开发周期显著缩短，锻造机械手、机器人和生产自动化及其配套技术的应用，使热精锻在质量、效率和劳动条件方面有了显著改善。热精锻生产线成套技术 1精密热模锻生产线工艺流程设计 精密热模锻生产通常要经过下料、加热、制坯、预锻、终锻、切边、校正或精整等多道工步，。由于锻件形状尺寸和精度要求不同，有些工步可以省去，确定工步的一般原则和普通热模锻生产线相似；工艺流程设计对于正确选择和利用设备、保证产品精度和质量、提高生产效率、降低生产线投资和日常生产成本、节能节材、改善生产环境和劳动条件都有密切关系，所以无论是利用企业原有条件进行技术改造，还是新建生产线，都要进行详细分析比较，以下提出一些应该注意的问题。1原材料和下料工步我国目前生产的钢材往往尺寸公差较大，平直度差，表面质量不高有时会有微裂纹，由于精锻后加工量小甚至不加工，这些裂纹和表面缺陷往往会造成锻件报废，去坯尺寸公差大会引起下料重量偏差增大，有些时候也会影响锻件精度。这些都必须予以考虑，采取相应的预防措施。2锻造工步的确定确定锻造工步是建设生产线的关键。工艺人员要对锻造设备及其特点有清楚的了解，对各种锻造工艺的优缺点和适用范围也应当有正确认识，进行综合分析比较，兼顾当前企业实际条件，市场情况和技术发展趋势，从而优选先进实用的方案。如北京机电所的研究人员在制定汽车前梁生产线建设方案时提出采用精辊-精锻复合工艺，替代发达国家辊锻粗坯再用大吨位压力机锻造的方案就是一个很好的例子，在采用新方案后生产线主要设备吨位由万吨级降到2500t，投资只是国外方案的1/51/8，模具寿命还有提高，生产成本也有降低。柴油机的喷油体通常的工艺方案是模锻或镦锻，改用楔横轧制坯-立锻的方案后提高了锻件精度，节约材料降低加工费用受到后续加工企业好评，已经获得我国专利。锻造工步确定后要绘制锻件图，设计每一工步毛坯尺寸和形状。每一工步毛坯设计，通常都以一些典型件进行类比，然后进行简单的体积计算，再结合设计人员的经验判断确定，对于形状复杂工步多的锻件，变形过程金属流动情况凭经验并不能准确判断，往往还要靠新产品试制时进行调试修改，这种方法调试周期长，人力物力消耗多是不能适应市场变化和产品更新要求的。现代计算机技术和塑性有限元技术的迅速发展，国内外已经有比较成熟的软件可供工艺过程模拟分析，特别是我国科技人员合作研制的可在微机上运行的工艺分析软件已经在一批锻件制定工艺过程中应用取得好的效果，已具备了推广应用的条件。为提高生产率、保证工件质量和改善劳动条件，锻造生产线常采用锻造机械手或机器人，在工艺设计时就必须考虑毛坯的夹持部位和夹持的稳定性。为了保证锻造温度一致性减少氧化，锻坯加热，多选用感应加热。通常热锻件图是按照冷锻件图乘以热膨胀量计算，但在精锻件各部分尺寸相差较大时，尺寸大小的部位冷却快，终锻温度会比尺寸大的部位有显著差别，这时设计热锻件图不同部位可以取不同的热膨胀系数。3. 热精锻件的模具模具是热精锻的重要保证条件。我国科技工作者对热作模具的服役条件、失效特征和规律作了大量试验研究工作，从而提出合理选材、减少钢材消耗、延长模具便用寿命的失效抗力指标体系和选材准则，实现了热作模具选材从经验走向科学化、判据数值化的飞跃，可作为合理选材、用材的参考。模具设计和加工过程对缩短生产试制周期、提高模具精度有重要作用，我国科技工作者自行开发的模具CADCAM系统可以在微机上运行，直接给出的加工代码可供数控机床加工模具或电极，考虑到模具使用时会发生磨损而增大尺寸，在精锻模加工时尽可能按下偏差加工，有利于延长模具寿命。模具的润滑有利于金属在模具中流动和成形，对保证锻件充满，降低锻造力。提高模具寿命有重要作用。水基石墨润滑剂是热模锻常用的有效润滑剂，石墨颗粒在lm左右的超微石墨润滑剂具有更好的润滑和脱模效果，并可延长模具寿命。国产超微石墨润滑剂已经通过生产应用证明与进口材料具有同等润滑效果。为了避免石墨造成的污染，国外已经研制成功非石墨型润滑剂，其润滑性能已接近水基石墨润滑剂。可适用于一般锻件。对于复杂的难脱模锻件，目前仍采用超微颗粒水基石墨润滑剂，国内研究的非石墨型润滑剂也已取得类似试验效果。精密热模锻生产线的设备选择和机械手（机器人）精密热模锻生产线有制坯、锻造、校正（精压）切边等多道工序，根据锻件不同选用设备也有所不同。除了一些特殊锻件外（例如；锻造环形件可选用高速镦锻机），通常主要锻造设备选用热模锻压力机、螺旋压力机和液压锤。热模锻压力机刚度高、滑块抗偏心载荷能力强、行程次数高、滑块导向好，并且有顶出装置，因此锻件精度高，锻造过程锻件在模具中停留时间短，有利于降低模具工作温度，提高模具寿命。此外现代热模锻压力机还装有锻造压力、主轴承温度和润滑状态显示仪器，但投资较大。螺旋压力机早期是双盘摩擦压力机，精度不高，能量利用率低，后发展了液压螺旋压力机和电动螺旋压力机。70年代末德国又研制成离合器式螺旋压力机，它具有打击能量大、滑块导向性能好、设备精度高，可以承受偏心载荷、可以根据锻造需要预选打击能量、有顶出装置、设备打击次数高、节能价格显著低于热模锻压力机，因此也是一种良好的精锻设备。我国自从90年代中期开发成功这种设以后，受到国内用户欢迎。传统的蒸汽-空气模锻锤能量利用率低、噪声大、锻件出模斜度大，不能用做精密锻造。液压锤不再利用蒸汽做动力，能量利用率显著提高，精度也得到改进，其相对价格也较低。为了利用现有蒸汽-空气模锻锤，我国科技工作者利用液压锤的基本原理改造了蒸汽模锻锤的汽缸和落下部分，已在一些工厂应用，有较好的节能效果。热精锻生产线通常需要配备必要的机械手（机器人）和其他传送监控装置。当以辊锻方法制坯时一般有两种机械手，即中小型辊锻机配备由辊锻机主轴带动的机械手，从而构成自动辊锻机，而大型辊锻机通常配备单独传动的机械手，靠电器控制系统实现与主机的联系主要锻造设备的压力机用机械手也有类似情况，即一种由主机直接带动的步进梁式机械手，这种机械手主要用于形状较简单的中小型锻件；另外一种是独立传动与主机无机械联系的机械手（机器人），这种机械手可适合于多种形状锻件生产过程使用。锻造过程常常有多道工序，因而机械手要满足多工位锻造的动作要求，又要保证定位精度，热态锻件夹持的可靠性，过就成为锻造机械手与其他一些机械手（机器人）不同的地方。我国锻造机械手（机器人）是在引进技术基础上，消化吸收发展起来的，结构合理，性能稳定可靠。很多生产线还配有快换模装置，以加快模具更换速度，提高设备利用率。为保证生产过程连续可靠地进行，锻造自动线要对锻造过程的锻件温度、压力机工作状态（如锻造力大小、压机轴承温度、润滑状况）进行监测，这些信息的检测数据分别送到压力机或生产线主控制柜，对生产线进行自动控制。典型精密热锻生产线举例在大批量模锻件生产中热锻生产线技术已经成熟，既有针对般锻件的生产线，又有针对特殊锻件以专机为主体的生产线，后者例如以高速镦锻机为主体的环类件热锻生产线，以多锤头径向锻机为主体轴类件锻造生产线等，以下介绍几种常见的般锻件生产线。1.汽车曲轴锻造自动生产线（图l） 图 1 120000kN热模锻压力机自动线1感应加热机床 2传送带 3辊锻机 4、7、12、17机械手 5、13分料架6120000kN斜楔式热模锻压力机 8中央控制台 9模具清理与喷雾装置10带随行小车的传送带 11切边压力机14曲拐扭转机 15 校正压力机 16链式传送带 18悬挂式输送机当中型卡车曲轴采用锻件时，主锻造压力机将需要120000kN，其工艺流程如下：感应加热辊锻模锻切边扭曲校正这条生产线选用了台加热设备，五台锻造和校正设备。辊锻主要是使坯料体积分布符全锻件要求。模锻时把曲拐按个方向布置，使分模简单，模具制造方便，再经过扭转机把曲拐扭向不同方向。每台锻造设备都配备台机械手.部分设备之间还配有传送带，模锻压力机上还配有模具清理与喷雾润滑装置，成品锻件将通过悬挂式输送链送入下道热处理工序。这条生产线同时还可进行汽车前梁锻造。2.汽车前梁精密辊锻-模锻生产线利用辊锻逐步变形原理将锻件的大部分在辊锻工序中锻出来，再通过模锻把弹簧座等不能精确辊锻成形部锻出来，这样可以大大减少模锻设备负荷，成功地利用25000kN螺旋压力机作为主设备，大幅度降低了生产线投资。其主要工艺流程如下：中频感应加热（750kW中频炉）4道次整体精密成形辊锻（1000辊锻机及辊锻机器人）整体弯曲、模锻（25000kN 螺旋压力机）整体切边（10000kN螺旋压力机）整体校正（16000kN螺旋压力机）调质处理（调质生产线）校正（1000kN液压机）喷九检验。根据需要，螺旋压力机可全部配机器人，成为全自动生产线；锻件重量较轻时，也可部分采用机器人。3.连杆精密锻造生产线连杆是发动机中传递转矩的重要零件，由于在高速运动中承受着很大的交变应力，因而要求具有很好的力学性能，很高的加工精度和严格的重量精度。由于连杆的尺寸不同、大小头比例不同，可以有不同的锻造方案，多数连杆采用以下工艺流程。感应加热（中频感应加热炉）辊锻（自动辊锻机）锻造（热模锻压力机、步进梁式机械手）冲切毛边（切边压力机）余热淬火锻件回火抛丸强化荧光探伤。主要锻造设备也可以采用离合器式高能螺旋压力机或液压锤。锻造生产线的发展方向主要有两个，一是出现了锻造柔性生产线，以满足用户对产品多样化的需求；另外一个是由于推广采用非调质钢，锻造生产线与热处理生产线可以连在一起建设，直接利用锻造余热淬火，省去再次加热的时间及费用，而且有利于锻件质量的提高。3. 优质高效焊接与切割技术激光焊接技术概述激光焊接是以高功率聚焦的激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的高精度高效率焊接方法。激光焊接的应用始于1964年，但早期仅限于用小功率脉冲固体激光器进行薄小零件的焊接。70年代以来，随着千瓦级大功率CO2激光器的出现，激光深熔焊得到了迅速的发展。激光焊接的厚度已从零点几毫米提高到50mm，已应用于汽车、钢铁、航空、原子能、电气电子等重要工l部门。目前在世界各国激光加工的应用领域中，激光焊接的应用仅次于激光切割，约占20.9。激光焊接技术 1激光焊接的工艺特点 按焊接熔池形成的机理区分，激光焊接有两种基本模式：热导焊和深熔焊，前者所用激光功率密度较低（105106Wcm2），工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。后者激光动车密度高（106107Wcm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝（图1）。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深馆焊。深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生，研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系，和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控，具有十分重要的理论意义和实用价值。由于经聚焦后的激光束光斑小（0.10.3mm），功率密度高，比电弧焊（5102104W/cm2）高几个数量级，因而激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著优点：加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良；残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接；可对高熔点、高热导率，热敏感材料及非金属进行焊接；焊接速度快，生产率高；具有高度柔性，易于实现自动化。激光焊与电子束焊有许多相似之处，但它不需要真空室，不产生X射线，更适合生产中推广应用。激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。激光焊接设备激光焊接设备主要由激光器、导光系统、焊接机和控制系统组成。1.激光器用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和YAG固体激光器两种。两者优缺点比较如表1所示。 表1 CO2激光器和YAG激光器比较波长m可输出功率光束质量光纤传输光学部件运行消耗和维护CO2激光器10.6大好不可需特殊材料的光学部件（ZnSn、CaAs等），贵需消耗气体；清理电极较麻烦YAG激光器1.06小次之可可用普通光学玻璃制造，便宜只需必要时更换泵浦灯，维护简单激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方向考虑，CO2激光器比YAG激光器具有很大优势，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生产上应用大多数还处在156kW范围，但现在世界上最大的CO2激光器已达50kW。而YAG激光器在过去相当长一段时间内提高功率有困难，一般功率小于1kW，用于薄小零件的微联接。但是，近几年来，国外在研制和生产大功率YAG激光器方面取得了突破性的进展，最大功率已达5kW，并已投人市场。由于其波长短，仅为CO2。激光的1/10，有利于金属表面吸收，可以用光纤传输，使导光系统大为简化。可以预料，大功率YAG激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展，成为 CO2激光焊接强有力的竞争对手。2.导光和聚焦系统导光聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向，传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能会劣化使透过率下降；会产生热透镜效应（透镜受热膨胀焦距缩短）；表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量，维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。3.激光焊接机它的作用是实现光束与工件之间的相对运动，完成激光焊接，分焊接专机和通用焊接机两种。后者常采用数控系统，有自角坐标二维、二维焊接机或关节型激光焊接机器人。影响激光焊接质量的因素影响激光焊接质量的因素很多其中一些极易波动，具有相当的不稳定性。如何正确设定和控制这些参数，使其在高速连续的激光焊接过程中控制在合适的范围内，以保证焊接质量首先是焊缝成形的可靠性和稳定性，是关系到激光焊接技术实用化、产业化的重要问题。以板材对接单面焊双面成形工艺为例，影响激光焊接质量的主要因素分焊接设备，工件状况和工艺参数三方面，如图11所示。 图11 影响激光焊接质量的主要因素1焊接设备对激光器的质量要求最主要的是光束模式和输出功率及其稳定性。光束模式是光束质量的主要指标，光束模式阶数越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率密度越高，焊缝深宽越大。一般要求基模（TEM00）或低阶模，否则难以满足高质量激光焊接的要求。虽然目前国产激光器在光束质量和功率输出稳定性方面用于激光焊接还有一定困难。但从国外情况来看，激光器的光束质量和输出功率稳定性已相当高，不会成为激光焊接的问题。光学系统中影响焊接质量最大的因素是聚焦镜，所用焦距一般在127mm（5in）到200mm（7.9in）之间，焦距小对减小聚焦光束腰斑直径有好处，但过小容易在焊接过程中受污染和飞溅损伤。2.工件状况激光焊接要求对工件的边缘进行加工，装配有很高的精度，光斑与焊缝严格对中，而且工件原始装配精度和光斑对中情况在焊接过程中不能因焊接热变形而变化。这是因为激光光斑小，焊缝窄，一般不加填充金属，如装配不严间隙过大，光束能穿过间隙不能熔化母材，或者引起明显的咬边、凹陷，如光斑对缝的偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透。所以，一般板材对接装配间隙和光斑对缝偏差均不应大于0.1mm，错边不应大于0.2mm。当焊缝较长时，焊前的准备难度很大，普通剪床F料一般不能满足要求必须经过机械加工或用高精度剪床剪切，还必须根据具体工件情况设计合适的精密胎夹具。实际生产中，有时因不能满足这些要求，而无法采用激光焊接技术。3.焊接参数（1）对激光焊接模式和焊缝成形稳定件的影响焊接参数中最主要的是激光光斑的功率 密度，它对焊接模式和焊缝成形稳定性影响如下：随激光光斑功率密度由小变大依次为稳定 热导焊、模式不稳定焊和稳定深熔焊12，其产生条件和焊缝成形特征如表2所示。 表2 三种激光焊接过程的基本特征焊接过程稳定热导焊（HCW）模式不稳定焊（UMW）稳定深熔焊（DPW）产生条件低功率密度功率密度介于HCW和DPW之间高功率密度焊接模式热导焊热导焊和深熔焊随机出现深熔焊小孔特点不形成小孔小孔间断性地产生和消失小孔稳定存在等离子体特点不产生等离子体等离子体间断性地产生和消失稳定的等离子体焊缝成形特征熔深和熔宽均很小的近半圆形焊缝焊缝成形极不狗宝，熔深和熔宽在大小两给跳变熔深较大的指状焊缝激光光斑的功率密度，在光束模式和聚焦镜焦距一定的情况下，主要由激光功率和光束 焦点位置决定。激光功率密度与激光功率成正比。而焦点位置的影响则存在一个最佳值；当光束焦点处于工件表面下某一位置（12mm范围内，依板厚和参数而异）时，即可获得最理想的焊缝。偏离这个最佳焦点位置，工件表面光斑即变大，引起功率密度变小，到一定范围，就会引起焊接过程形式的变化。焊接速度对焊接过程形式和稳定件的影响不如激光功率和焦点位置那样显著，只有焊接速度太大时，由于热输入过小而山现无法维持稳定深熔焊过程的情况。实际焊接时，应根据焊件对熔深的要求选择稳定深熔焊或稳定热导焊，而要绝对避免模式不稳定焊。（2）在深熔焊范围内，焊接参数对熔深的影响13 在稳定深熔焊范围内，激光功率越高，熔深越大，约为0.7次方的关系；而焊接速变越高，熔深越浅。在一定激光功率和焊接速度条件下焦点处于最佳位置时熔深最大，偏离这个位置，熔深则下降，甚至变为模式不稳定焊接或稳定热导焊。（3）保护气体的影响 保护气体通常采用氩气或氦气它们产生等离子体的倾向显著 不同：氦气因其电离电体高，导热快在同样条件下，比氩气产生等离子体的倾向小，因而可获得更大的熔深。在一定范围内，随着保护气体流量的增加，抑制等离子休的倾向增大，因而熔深增加，但增至一定范围即趋于平稳。（4）各参数的可监控性分析在四种焊接参数中，焊接速度和保护气体流量属于容易监控和保持稳定的参数，而激光功率和焦点位置则是焊接过程中可能发生波动而难于监控的参数。虽然从激光器输出的激光功率稳定性很高且容易监控，但由于有导光和聚焦系统的损耗，到达工件的激光功率会发生变化，而这种损耗与光学工件的质量、使用时间及表面污染情况有关，故不易监测，成为焊接质量的不确定因素。光束焦点位置是焊接参数中对焊接质量影响极大而又最难监测和控制的一个因素。目前 在生产中需靠人工调节和反复工艺试验的方法确定合适的焦点位置，以获得理想的熔深。但 在焊接过程中由于工件变形，热透镜效应或者空间曲线的多维焊接，焦点位置会发生变化而 可能超出允许的范围3。对于上述两种情况，一方面要采用高质量、高稳定性的光学元件，并经常维护，防止污 染，保持清洁；另一方面要求发展激光焊接过程实时监测与控制方法，以优化参数，监视到 达工件的激光功率和焦点位置的变化，实现闭环控制，提高激光焊接质量的可靠件和稳定性。这是激光焊接技术发展方向之一。改善和发展激光焊接的新技术以下几项技术有助扩展激光焊接的应用范围及提高激光焊接自动控制水平1.填充焊丝激光焊3激光焊接一般不填充焊丝，但对焊件装配间隙要求很高，实际生产中有时很难保证，限制了其应用范围。采用填丝激光焊，可大大降低对装配间隙的要求。例如板厚2mm的铝合金板，如不采用填充焊丝，板材间隙必须为零才能获得良好的成形，如采用1.6mm的焊丝做为填充金属，即使间隙增至1.0mm，也可保证焊缝良好的成形。此外，填充焊丝还可以调整化学成分或进行厚板多层焊。2.光束旋转激光焊5使激光束旋转进行焊接的方法，也可大大降低焊件装配以及光束对中的要求。例如在2mm厚高强合金钢板对接时，容许对缝装配间隙从 0.14mm增大到0.25mm；而对4mm厚的板，则从0.23mm增大到0.30mm。光束中心与焊缝中心的对准允许误差从0.25mm增加至0.5mm。3.激光焊接质量在线检测与控制利用等离子体的光、声、电荷信号对激光焊接过程进行检测，近年来已成为国内外研究的热点，少数研究成果已达到了闭环控制的程度。图12是激光焊接质量检测和控制系统的实例6、7。 图12 激光焊接质量检测与控制系统该系统所用传感器及其功能简单介绍如下：（1）等离子体监测传感器1）等离子体光学传感器（PS）：它的作用是采集等离子体的特征光一紫外光信号。2）等离子体电荷传感器（PCS）：利用喷嘴做探针检测由于等离子体带电粒子（正离子、电子）的不均匀扩散而在喷嘴和工件之间形成的电位差。（2）系统功能1）识别激光焊接过程属于何种方式。稳定深熔焊过程，有等离子体，PS、PCS信号均很强；稳定热导焊过程，不产生等离子体，PS、PCS信号几乎等于零；模式不稳定焊过程，等离子体间断性地产生和消失，相应地PS、PCS信号间断性地上升和下降。2）诊断传输到焊接区的激光功率是否正常、当其他参数一定时，PS和PCS信号的强弱与入射到焊接区的功率大小有对应关系。因此，监视PS和PCS信号就可以知道导光系统是否正常，焊接区的功率是否发生了波动。3）喷嘴高度自动跟踪。PCS信号随喷嘴-工件距离的增加而减小。利用这一规律进行闭环控制可以保证喷嘴-工件距离不变，实现高度方向的自动跟踪。4）焦点位置自动寻优和闭环控制。在深熔焊范围内，光束焦点位置发生波动时，PS接收到的等离子体光信号亦随之变化，以最佳焦点位置处（此时小孔最深）PS信号最小。依据所发现的这个规律，可以实现焦点位置自动寻优与闭环控制，使焦点位置波动小于0.2mm，熔深波动小于0.05mm。激光焊接的应用在工业发达国家，激光焊接已在许多工业部门得到应用，而汽车是其中最重要的部门，最典型的例子是车身覆盖件剪裁激光拼焊。用激光将不同厚度，不同材质，不同性能的多块小坯料拼焊起来，再冲压成形。材料利用率由4060提高到7080，而且减轻了重量，提高了综合性能。在这里只有采用激光焊接才能保证拼焊后表面平整，无翘曲和变形，确保冲压后的质量3。世界著名的汽车公司都采用了这种方法。我国激光焊接技术经过十余年的研究，已开始应用，包括电机中的定子转子、金刚石锯片、多联齿轮、热轧硅钢片、显像管阴极、食品罐头盒罐身等。例如用激光焊接技术焊接了装核燃料棒的核供热堆锆元件盒，外形尺寸为166.5min166.5mm2384mm，采用2mm厚高活性锆合金板焊接而成，最后在锆盒全长范围内，各面及相互间的平面度、平行度、垂直度和尺寸公差均达到在0.20.3mm范围内，正反面焊缝表面不平度小于 0.15mm8。充分体现了激光焊接的先进性。4. 优质低耗洁净热处理技术真空热处理 1真空高压气冷淬火技术 当前真空高压气冷淬火技术发展较快，相继出现了负压（1105Pa）高流率气冷、加压（11054105Pa）气冷、高压（510510105Pa）气冷、超高压一（1010520105Pa）气冷等新技术，不但大幅度提高了真空气冷淬火能力，且淬火后工件表面光亮度好，变形小，还有高效、节能、无污染等优点。真空高压气冷淬火的用途是材料的淬火和回火，不锈钢和特殊合金的固溶、时效，离子渗碳和碳氮共渗，以及真空烧结，钎焊后的冷却和淬火。用6105Pa高压氮气冷却淬火时、被冷却的负载只能是松散型的，高速钢（W6Mo5Cr4V2）可淬透至70100mm，高合金热作模具钢（如 4Cr5MoSiV）可达25100mm，高合金冷作模具钢（如Cr12）可达80100mm。用10105Pa高压氮气冷却淬火时，被冷却负载可以是密集型的，比6105Pa冷却时负载密度提高约304O。用20105Pa超高压氮气或氦气和氮气的混合气冷却淬火时，被冷却负载是密集的并可捆绑在一起。其密度较6105Pa氮气冷却时提高80150，可冷却所有的高速钢、高合金钢、热作工模具钢及Cr13的铬钢和较多的合金油淬钢，如较大尺寸的9Mn2V钢。具有单独冷却室的双室气冷淬火炉的冷却能力优于相同类型的单室炉。2105Pa氮气冷却的双室炉的冷却效果和4105Pa的单室炉相当。但运行成本、维修成本低。由于我国基础材料工业（石墨、钼材等）和配套元器件（电动机）等水平有待提高。所以在提高6105Pa单室高压真空护质量的同时，发展双室加压和高压气冷淬火炉比较符合我国的国情。真空高压气冷等温淬火形状复杂的较大工件从高温连续进行快速冷却时容易产生变形甚至裂纹。以往可用盐浴等温淬火解决。在单室真空高压气冷淬火炉中能否进行冷等温淬火呢？图9为在带有对流加热功能的单室高压气冷淬火炉中对两组320mm120mm两块叠装在碳素结构钢用不同冷却方式淬火后的对比结果。图中一组曲线是在1020加热后，在6105Pa的压力下连续用高纯氮气冷却（风向是上、下相互交替，40s切换一次）的结果。另一组是对试样表面、心部进行370时的控制冷却。从两组曲线的对比可以看出，心部温度通过500的时间（半冷时间）只差约2min。从表面进行控制冷却开始到心部温度到达370附近，需27min。由此可见，在单室真空高压气淬火炉进行等温气冷淬火是可行的。 图9 连续气冷和等温气冷时表面、心部温度对比连续气冷时的中心温度连续气冷时的表面温度等温气冷时的中心温度 -等温气冷时的表面温度真空渗氮技术真空渗氮是使用真空炉对钢铁零件进行整体加热。充入少量气体，在低压状态下产生活性氮原子渗入并向钢中扩散而实现硬化的；而离子渗氮是靠晖光放电产生的活性N离子轰击并仅加热钢铁零件表面，发生化学反应生成氮化物实现硬化的。真空渗氮时，将真空炉排气至较高真空度0.133Pa（110-3Torr）后将工件升至530560，同时送入以氨气为主的，含有活性物质的多种复合气体，并对各种气体的送入量进行精确控制，炉压控制在0.667Pa（5Torr），保温35h后，用炉内惰性气体进行快速冷却。不同的材质，经此处理后可得到渗层深为2080m、硬度为6001500HV的硬化层。真空渗氮有人称为真空排气式氮碳共渗、其特点是通过真空技术，使金属表面活性化和清净化。在加热、保温、冷却的