激光技术在制造业中的应用

激光技术在制造业中的应用一、激光简介激光英文全名为LIGHTAMPLIFICATIONBYSTIMULATEDEMISSIONOFRADIATIONLASER。于1960年面世，是一种因刺激产生辐射而强化的光。1激光的产生科学家在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态，当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子，以放出多余的能量；而接著，这些被放出的光子又会撞击其它原子，激发更多的原子产生光子，引发一连串的“连锁反应”，并且都朝同一个方前进，形成强烈而且集中朝向某个方向的光，因此强的激光甚至可用作切割钢板。2激光的应用激光被广泛应用是因为它的特性。激光几乎是一种单色光波，频率范围极窄，又可在一个狭小的方向内集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。以红宝石激光器为例，它输出脉冲的总能量不够煮熟一个鸡蛋，但却能在3毫米的钢板上鉆出一个小孔。激光拥有上述特性，并不是因为它有与别不同的光能，而是它的功率密度十分高，这就是激光被广泛应用的原因。激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。现已发现的激光工作物质有几千种，波长范围从软X射线到远红外。激光技术是指依据一定的原理，改变激光振荡或激光辐射的参数，使之适合于某一目的的技术。激光技术的核心是激光器，激光器的种类很多，可按工作物质、激励方式、运转方式、工作波长等不同方法分类。根据不同的使用要求，采取一些专门的技术提高输出激光的光束质量和单项技术指标，比较广泛应用的单元技术有共振腔设计与选模、倍频、调谐、Q开关、锁模、稳频和放大技术等。作为20世纪60年代的新光源，激光被广泛应用于测量、通讯、医学、军事、科研、新闻出版、商业、家庭娱乐、工业制造等领域，由于篇幅有限，本报告主要介绍激光技术在制造业中的应用。激光在制造制造业中的应用主要体现为激光焊接、激光打孔、激光切割、激光雕刻、激光快速成型、激光表面淬火、激光表面强化等等一系列的激光加工技术。二、激光加工技术简介激光加工技术实现了光、机、电技术相结合，是一种先进制造技术。目前正处于向传统制造技术中许多工艺过程积极渗透的阶段。由于它具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、方便实行数控和可以用来进行特殊加工，目前已经广泛应用于汽车、冶金、航空航天、机械、纺织、化工、建筑、造船、仪器仪表、微电子工业、艺术品制作、日常生活用品和工业用品制造等众多领域。用来进行打孔、切割、铣削、焊接、刻蚀、大型零件的强化和修复、材料表面改性和材料合成、模具、模型和零件的快速制造，工艺美术品制作和清洗、产品标刻和防伪等。1激光加工技术的原理激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。激光加工技术的原理图如图1所示。激光器激光器工件工件工作台工作台光阑光阑反射镜反射镜聚焦镜聚焦镜电源电源图1激光加工原理图激光加工可大体分为以下三个过程（1）激光束照射材料，材料吸收光能；（2）光能转变为热能使材料加热；（3）通过气化或熔融溅出使材料去除或破坏。2激光加工的特点激光加工技术主要具有一下特点（1）加工材料范围广聚焦后，激光加工的功率密度可高达1081010W/CM2，光能转化为热能，几乎可以熔化、气化任何材料。（2）可用于精密微细加工激光光斑大小可聚焦到微米级。（3）使用激光束作为工具非接触加工，无明显的机械力，没有工具损耗问题；加工速度快、热影响区小，容易实现加工过程自动化；能通过透明体进行加工，如对真空管内进行焊接加工等。（4）加工装置相对简单和电子束加工等比较起来，不要求复杂的抽真空装置。（5）影响因素多，控制难度较大激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，其影响因素很多，因此，精微加工时，精度和表面粗糙度不易保证。表面光泽或透明材料的加工，必须预先进行色化或打毛处理。（6）加工过程会产生气体及火星等飞溅物要注意通风抽走，操作者应戴防护眼镜。3激光加工的分类激光加工大体可分为激光热加工和光化学加工激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热力把对象的特性改变或把物料熔解蒸发。包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标等等；光化学加工指当激光束加于物体时，高密度能量光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等等。4激光加工机的组成激光加工的基本设备包括四大部分（1）激光器是激光加工的重要设备，它把电能转变成光能，产生激光束。（2）激光器电源为激光器提供能量及控制功能。（3）光学系统包括激光聚焦系统和观察瞄准系统，后者能观察和调整激光束的焦点位置，并将加工位置显示在投影仪上。（4）机械系统主要包括床身、能在三坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。5激光加工技术的发展现状激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前激光技术发展比较迅速的主要有日本及欧美等国家。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6080亿美元，在美国激光加工站已超过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13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1。三、常用激光加工技术简介目前常用的激光技术主要有激光打孔、激光切割、激光焊接、激光表面改性、激光快速成型等等。下面面对其主要工作原理及特点进行详细介绍。1激光打孔激光打孔的成形过程是材料在激光热源照射下产生的一系列热物理现象综合的结果。它与激光束的特性和材料的热物理性质有关。一般用光学系统将光斑尺寸聚到几微米到几十微米。由于光斑可以聚得很细，所以能加工极微细和特别深的孔。从深径比来看，用激光打出的孔，其深度与孔径的比值可高达50以上，这是用其他方法难以达到的。例如用一般方法在极硬的氧化铝陶瓷上加工小孔所得到的深径比为2，超声波法只有4，而用激光打孔则可达25。激光打孔的主要影响因素有（1）输出功率与照射时间激光的照射时间一般为几分之一到几毫秒，当激光能量一定时，时间太长会使热量传散到非加工区，时间太短则因功率密度过高而使蚀除物以高温气体喷出，都会使能量的使用效率降低。（2）焦距与发散角发散角小的激光束，打出的孔深，且锥度小。通常焦距选2039MM。（3）焦点位置激光束的焦点不同，所得到的孔的形状也就不同，不同焦点位置对应的孔的界面形状如图2所示。图2焦点位置与孔的截面形状（4）光斑内的能量分布激光能量分布对打孔质量有着很大的影响，如图3所示。图3激光能量分布对打孔质量的影响（5）激光的照射次数激光照射次数对孔深有一定的影响，如图4所示。可以看到，在激光照射次数较少时，孔深随着照射次数的增加而增加，当激光照射达到一定的次数后，孔深不再发生变化。图4照射次数与孔深关系图（6）工件表面粗糙度工件表面粗糙度对激光打孔的孔深也有一定的影响，如图5所示。可以看到当表面粗糙度值较小时孔深为零，随着粗糙度的增加，孔深逐渐增加，当表面粗糙度达到10M后，孔深随表面粗糙度变化较小。图5加工面表面粗糙度对加工深度的影响2激光切割激光切割的原理图如图6所示。激光束照射工件，光束能量以及活性气体辅助切割过程附加的化学反应热能全部被材料吸收，引起照射处的材料温度急剧上升，到达沸点后，材料开始汽化，并形成孔洞。随着光束与材料的相对移动，最终使材料形成切缝。切缝处熔渣被具有一定压力的辅助气体吹掉。图6激光切割原理图激光切割主要有以下特点（1）割缝窄，节省切割材料；（2）切割速度快，热影响区域小，因而热变形程度低；（3）剖缝边缘垂直度好，切边光滑，可直接进行焊接；（4）切边无机械应力，无剪切毛刺，也无切屑；（5）无刀具磨损，也不需要更换刀具，只需调整工艺参量；（6）可同样方便地切割易碎、脆、软、硬材料和合成材料；（7）光束无惯性，可实现高速切割，且任何方向都可同样切割，并可在任何处开始和停止切割；（8）能实现多工位操作，容易实现数控自动化；（9）切割噪音低。3激光焊接激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属溶化形成焊接。在激光与金属的相互作用过程中，金属溶化仅为其中一种物理现象，光能以其它多种形式表现出来，如气化、等离子体形成等。为此须控制引起各种物理现象的激光参数，使激光能量绝大部分转换成金属溶化的能量，达到焊接目的。不同激光功率大小与金属作用的现象不同，激光焊接可分为热传导焊接和深熔焊接，其工作原理图如图7所示。（A）激光热传导焊接（B）激光深熔焊图7激光焊接激光焊接主要有如下优点（1）速度快、深度大、变形小。（2）能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。（3）可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。（4）焊接深宽比高，可达51，最高可达101。（5）可进行微型焊接。（6）可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接。4激光表面改性激光表面改性主要用于改善金属制品的表面性能，它可以显著提高金属零件表面的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等，从而大大提高产品的质量，延长产品的使用寿命，降低成本。激光表面改性技术包括激光淬火相变硬化、激光合金化、激光涂敷（熔敷）、激光非晶化和微晶化、激光冲击硬化等多种工艺。（1）激光淬火激光淬火是以高能量的激光快速扫描工件，工件表面极薄的一层吸收能量，其温度迅速上升，此时工件的基体还处于冷态，由于热传导的作用，表面的热量迅速传到工件其他部位，工件表面在瞬间实现自冷淬火，从而产生相变硬化。从理论上讲，激光淬火的冷却速度比一般热处理淬火的冷却速度要提高约1000倍。使用激光表面改性的优点如下淬硬层晶粒细化，硬度比常规淬火提高1520；加热速度极快，工艺周期短，生产效率高，成本低，工艺过程容易实现计算机控制；对于槽壁（底）、小孔、盲孔、深孔以及腔筒内壁等特殊部位，只要光束能照射到的部位均可进行处理；可进行大型零件局部表面以及形状复杂零件的硬化处理；淬硬层深度可精确控制；可以实现自冷淬火，不需要油或水等介质。（2）激光合金化激光合金化是在高能激光束的作用下，将一种或几种合金元素与基体材料的表面快速熔化凝固在一起，从而使基体材料的表面具有高合金特性的技术。简单地说，激光合金化就是利用激光改变金属表面的化学成分从而提高表面性曲的一项技术。经过激光合金化处理后的材料，表面是离性能的合金层，材料内部仍然是廉价的基体材料。（3）激光表面非晶化非晶化的基本准则将液体以大于一定的冷却速度迅速冷却到某一温度以下，这样晶体的形核和生长受到限制，来不及形成规则的晶体组织，从而就可以获得非晶态的固体。激光表面非晶化是利用激光使材料表面薄层熔化，同时在表层的液态和基体的固态间保持很高的温度差，从而实现形成非晶态所需要的急冷条件。优点高效率地、易控制地在形状复杂的制品表面大面积形成非晶层；这将扩大非晶材料的实际应用领域。5激光快速成型用激光制造模型时用的材料是液态光敏树脂，它在吸收了紫外波段的激光能量后便发生凝固，变化成固体材料。把要制造的模型编成程序，输入到计算机。激光器输出来的激光束由计算机控制光路系统，使它在模型材料上扫描刻划，在激光束所到之处，原先是液态的材料凝固起来。激光束在计算机的指挥下作完扫描刻划，将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，造出模型。所以，用这个办法制造模型，速度快，造出来的模型又精致。该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。激光快速成型技术主要有激光层叠法、粉末烧结法、光固化法等。四、激光加工技术的应用1激光加工技术在汽车制造中的应用在汽车制造过程中主要用激光加工技术来制造以下零部件（1）车身镀锌钢板、铝合金车身焊接、钎焊；（2）传动件齿轮的焊接；（3）发动机阀的堆焊、汽缸内槽加工、淬火；（4）气囊焊接；（5）传感器、ABS、喷嘴精密微细焊接；（6）激光切割车身零件的剪裁，线圈零件的激光切割，液压成型件的切割、打孔，保险杠的切割、打孔以及车身打孔；（7）其他铝燃料过滤器和保险杠的焊接2。总体来说，可以将汽车制造过程中激光加工技术的归纳为以下几个方面不同厚板的激光拼焊激光拼焊是在车身设计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，将不同厚度、不同材质、不同或相同性能的板材通过激光裁剪和拼装技术连接成一整体，再经冲压成形为车身某一部件3。如图8所示。图8激光拼焊激光拼焊的优点可节约材料消耗；减轻构件重量；节省工序和装配工作量；减少费用；提高车身尺寸精度提高整；车结构刚度和安全性；使钢材得到充分利用3。车身的激光焊接采用激光组焊技术将已冲压或切割成形的各种车身构件，先两双件组焊，然后再多件组焊，从而形成白车身分总成，各自车身分总成再总装成白车身总成4。主要分为总成焊接、侧围与顶盖的焊接、后续焊4。汽车零部件的激光焊接用激光可以焊接一些要求强度高、变形小,用传统方法无法焊接的特种材料的汽车零部件。采用激光焊代替传统焊接，零件焊接部位几乎没有变形，焊接速度快，而且不需要焊后热处理3。车身部件的剪裁用三维激光技术取代传统制造工艺的修边和修孔，工艺步骤简单、制造周期短、切割速度快、切缝宽度小、加工质量高，大幅度降低成本3。2激光加工技术在航空航天中的应用激光切割在航空航天工业中用激光切割的材料有钦合金、镍合金、铬合金、铝合金、不锈钢、钦酸钼、塑料和复合材料等。在航天航空设备的制造中,外壳采用特殊金属材料制成,强度高、硬度高、耐高温,普通的切割手段很难完成材料的加工,激光切割是一种高效的加工手段,可用激光切割加工飞机蒙皮、蜂窝结构、框架、翼彬、尾翼壁板、直升机主旋翼、发动机机匣和火焰筒等。激光切割一般用连续输出的激光器,也有用高重频二氧化碳脉冲激光器5。激光打孔激光打孔技术在航空航天工业中适用于仪表宝石轴承、气冷式涡轮叶片、喷嘴和燃烧室上打孔等。目前,在加工航空发动机零件方面,激光打孔仅限于加工发动机静止零件的冷却孔,因为孔表面存在微观裂纹。对激光束、电子束、电化学、电火花打孔、机械钻孔和冲孔进行试验研究,经综合分析认为,激光打孔具有效果好、通用性强、效率高和成本低等优点5。激光表面技术激光熔覆是一种重要的材料表面改性技术。在航空领域,航空发动机的备件价格很高,因而在很多情况下维修零件是比较划算的。但是修复后零件的质量必须满足安全要求。例如,飞机螺旋桨叶片表面上出现损伤时,必须通过一些表面处理技术进行修复。除了考虑螺旋桨叶片所要求的高强度、高耐疲劳性,还必须考虑表面修复后的耐腐蚀性。激光熔覆技术就可以很好的用于发动机叶片激光三维表面熔覆修复5。激光成形技术激光成形制造技术在航空领域的应用直接体现在航空用钛合金结构件的直接制造以及航空发动机零件的快速修复方面。激光成形制造技术成为航空航天国防武器装备大型钛合金结构件的核心制造新技术之一。改变了传统制造方法具有成本高、锻造模具准备时间长、机械加工量大、材料利用率低等弱势5。3激光加工技术在船舶制造中的应用在20世纪90年代中期，激光作为一种重工业制造工具用于造船工业。大型舰船制造方法逐渐实现由铆接到焊接的变革，焊接方法、工艺和设备也稳步发展，从早先的气焊、电弧焊，发展到激光焊。造船技术的