激光及其材料加工技术的研究与应用

1、一、激光加工技术概述激光是本世纪的重大发明之一,具有巨大的技术潜力。激光因具有单色性、相干性和平行性三大特点,特别适用于材料加工。激光加工是激光应用最有发展前途的领域,国外已开发出20多种激光加工技术。激光的空间控制性和时间控制性很好,对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大,特别适用于自动化加工。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。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光

2、、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术,它的研究范围一般可分为:1.激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。2.激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。1、激光加工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。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。2、激光加工的特点激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存

3、在的优势:由于它是无接触加工,并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调,因此可以实现多种加工的目的。它可以对多种金属、非金属加工,特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。激光加工过程中无“刀具”磨损,无“切削力”作用于工件。激光加工过程中,激光束能量密度高,加工速度快,并且是局部加工,对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此,其热影响区小,工件热变形小,后续加工量小。它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。使用激光加工,生产效率高,质量可靠,经济效益好它的研究范围一般可分为:1.激光加工系统包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。2.激光加工工艺包括切割、焊接、表面

4、处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。二. 激光加工技术应用激光加工应用领域中,CO2激光器以切割和焊接应用最广,分别占到70%和20%,表面处理则不到10%。而YAG激光器的应用是以焊接、标记(50%和切割(15%为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了7080%。我国激光加工中以切割为主的占10%,其中98%以上的CO2激光器,功率在1.5kW2kW范围内,而以热处理为主的约占15%,大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套这项技术的经济性和社会效益都很高,市场好。在汽车工业中,激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机,不仅节省了

5、样板及工装设备,还大大缩短了生产准备周期;激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔,速度快而不产生破损;激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺,日本Toyota已将激光用于车身面板的焊接,将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起,然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍,但在汽车工业中仍应用广泛,如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家,激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合,派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型,而且还可以直接由金属粉末溶融。到了80年代,YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越大作用。通常认为Y

6、AG激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度,但在切割速度上受到限制。随着YAG激光器输出功率和光束质量的提高而被突破。YAG 激光器已开始挤进kw级CO2激光器切割市场。YAG激光器特别适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件,如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。YAG激光器打孔已发展成为最大的激光加用。目前,国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展,主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高达3050kw,打孔用的脉冲宽度越来越窄,重复频率越来越高,激光器输出参数的提高,很大程度上

7、改善了打孔质量,提高了打孔速度,也扩大了打孔的应用范围。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金拉丝模的。在材料加工业中,切削加工是基本而又常用的精密加工手段,在机械、电机、电子等各种产业部分中都起着重要的作用,决定切削加工效率的因素很多如机床、刀具、工件等,其中刀具是最活跃的因素。而刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面质量的优劣等等,在很大程度上取决于刀具材料的机械性能和加工性能,因此人们不断地研究开发新的刀具材料。但新材料的开发速度常常与现代切削加工生产要求存在一定的差距,如在高速切削300 1000m/min切削钢、90200m/min切削钛合金等要达

8、到这样高的切削速度,就要发展具有更加优异的高温力学性能、高化学稳定性和热稳定性及高温热抗振性的刀具材料,加速刀具材料的研究与开发,合理选用刀具材料是推动高速切削技术广泛应用的重要前提。而激光对物体材料表面的强化处理就可以解决刀具材料选择这一问题,下面我就将对这种技术从各方面做一简要的介绍。激光表面强化技术基于激光束的高能量密度加热和工件快速自冷却两个过程,在金属材料激光表面强化中,当激光束能量密度处于低端时可用于金属材料的表面相变强化,当激光束能连密度处于高端时,工件表面光斑出相当与一个移动的坩埚,可完成一系列的冶金过程,包括表面重熔、表层增碳、表层合金化和表层熔覆。这些功能在实际应用中引发的

9、材料替代技术,将给制造业带来巨大的经济效益。激光表面强化包括金属表面淬火、表面合金化、表面涂复三个方面,激光表面强化是利用大功率CO2激光器产生的激光束作热源,用激光来辐射待强化的金属表面。通过激光淬火、激光熔融改变合金表面成分,激光熔敷难熔金属或陶瓷,以大幅度改变金属表面的机械性能、化学性能、耐热抗氧化性能,该技术效率高、适应性强、淬火硬度比一般热处理高510HRC,同时节材、节电,不变形,无公害。而在刀具材料改性中主要应用的是熔化处理,熔化处理是金属材料表面在激光束照射下成为溶化状态,同时迅速凝固,产生新的表面层。根据材料表面组织变化情况,可分为合金化、溶覆、重溶细化、上釉和表面复合化等。

10、激光熔凝是用适当的参数的激光辐照材料表面,使其表面快速熔融、快速冷凝,获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。它具有以下优点:1.表面熔化时一般不添加任何金属元素,熔凝层与材料基体形成冶金结合。2.在激光熔凝过程中,可以排除杂质和气体,同时急冷重结晶获得的杂志有较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。3.其熔层薄、热作用区小,对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可不再进行后续磨光而直接使用。4.提高溶质原子在基体中固溶度极限,晶粒及第二相质点超细化,形成亚稳相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态,从而使生成的新型合金获得传统方法得不到的优良性能。5.光束可以通过光路导向,因而可以处理零件特殊位置

11、和形状复杂的表面。激光堆焊是继激光熔覆技术上发展起来的一项新的激光加工技术,借鉴传统的堆焊技术优点,用大功率激光为加热源,对同步送入的合金焊丝与基体表层同时快速熔化,得到和基体完全冶金结合的并具有特殊性能(耐磨、耐蚀、耐热等的表层,形成复合层,用于制造双金属刀具。而激光合金化则是在基体的表面熔融层内加入合金元素,从而形成以基材为基础的新的合金层,达到表面改性,刃口强韧化的目的。几种典型激光加工应用;激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中,可大大减少加工时间,降低加工成本,提高工件质量。激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。与传统的板材加工方法相比 , 激光切割其具有高的

12、切割质量、高的切割速度、高的柔性(可随意切割任意形状、广泛的材料适应性等优点。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一,焊接过程属热传导型,即激光辐射加热工件表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。由于其独特的优点,已成功地应用于微、小型零件焊接中。与其它焊接技术比较,激光焊接的主要优点是:激光焊接速度快、深度大、变形小。能在室温或特殊的条件下进行焊接。随着电子产品朝着便携式、小型化的方向发展,对电路板小型化提出了越来越高的需求,提高电路板小型化水平的关键就是越来越窄的线宽和不同层面线路之间越来越小的微型过孔和盲

13、孔。传统的机械钻孔最小的尺寸仅为100m,这显然已不能满足要求,代而取之的是一种新型的激光微型过孔加工方式。目前用CO2激光器加工在工业上可获得过孔直径达到在30-40m的小孔或用UV激光加工10m左右的小孔。目前在世界范围内激光在电路板微孔制作和电路板直接成型方面的研究成为激光加工应用的热点,利用激光制作微孔及电路板直接成型与其它加工方法相比其优越性更为出,具有极大的商业价值。激光切割钢材时,氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处,从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大,速度要高,以便足够的氧化使切口材料充分进行放热反应;同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。因此除光

14、束的质量及其控制直接影响切割质量外,喷嘴的设计及气流的控制(如喷嘴压力、工件在气流中的位置等也是十分重要的因素。以下为激光表面强化技术在刀具材料改性中的应用实例。1、家用厨刀激光熔覆表面改性采用激光涂层在常用的不锈钢厨刀刃口进行薄层快速熔覆,得到涂覆层均匀、高耐磨的刀具刃口,代替传统的刀具生产工艺,改造其产业提高刀具(厨刀产品的内在质量和附加值。通过对涂层材料的配比、激光涂层性能等方面的分析研究,开发出与“懒汉刀”同等水平的厨刀并将其实用化。通过优化工艺采用预置式合金粉末得到了无裂纹、一定硬度涂层的厚度、变形小、回火带窄的刃口。可以看出,熔覆层均匀覆盖在刀刃上。2、激光熔渗纳米改性强化刀具激光

15、熔渗是一种结合激光熔覆工艺和激光合金化工艺的表面改性的方法。将其运用到园林刀具生产过程中,可以对不同类型的刀具进行激光表面改性强化。纳米材料较之微米级材料具有更好的力学性能,涂覆于基体表面的纳米合金粉在高密度的激光束作用下快速熔凝,以部分纳米硬质合金颗粒渗入到基体材料中,起到了微合金化作用,而刀具表面又可以获得纳米晶的覆层,因而不仅提高了强韧性及耐磨而且还加深了刀具刃口的硬度层深,延长了刀具的使用寿命。所以,激光强化技术在刀具材料改性应用潜力将是巨大的。目前国内外对工程陶瓷与硬质合金材料的研究有一定的进展,另一方面激光对刀具进行表面强化处理属当前机械加工领域的前沿,用强激光束对代替某些热处理是

16、一种有效的方法,结合当前纳米技术的发展,在这三个方向的基础上找到它们的结合点,参照同类近似的研究方法,对陶瓷、硬质合金的激光强化机理及技术进行研究,提出了在以后研究工作中将通过对高耐磨/耐蚀/耐热纳米硬质粉材(陶瓷、复合材料等的研制及配比、激光纳米强化层性能、激光厚层堆焊工艺与硬质合金材料等方面的分析研究,针对不同刀具采用相应的工艺,利用普通的刀具材料开发出提高刀具刃口强韧性、耐磨性及使用寿命的新产品,获得对各种刀具类材料激光堆焊复合、纳米合金熔渗及产品化实用化的总体工艺技术,使其能满足实际生产的复杂要求,尤其是克服陶瓷刀具材料脆性大、可靠性低等缺点,为改进硬质合金和陶瓷材料增添了一条有效的途

17、径。(1特种材料特殊要求的加工激光焊接与大多数传统的焊接方法相比具有突出的优点。激光能量的高度集中和加热、冷却过程的极其迅速,可破坏一些难熔金属表面的应力阈值,或使高导热系数和高熔点金属快速熔化,完成某些特种金属或合金材料的焊接,而且在激光焊接过程中无机械接触,容易保证焊接部位不因热压缩而变形,还排除了无关物质落入焊接部位的可能;如果采用大焦深的激光系统,还可实现特殊场合下的焊接,比如,由软件控制的需隔离的远距离在线焊接、高精密防污染的真空环境焊接等;在不发生材料表面蒸发的情况下可熔化最大数量的物质,达到高质量的焊接。以上特点是传统的焊接工具与方法很难或完全不能做到的。目前,在汽车、国防、航空

18、航天等一些特殊行业,已普遍采用激光焊接技术2。例如欧洲一些国家,对高档汽车车壳与底座、飞机机翼、航天器机身等一些特种材料的焊接,激光的应用已基本取代了传统的焊接。(2特殊精度的加工制造这里指的高精度除通常意义下的精确定位外,主要还体现在材料内部热传导效应量级上的控制。激光的显著特点之一,就是可采取连续和脉冲方式输出。以固体的钻孔与切割为例,激光能量高度集中,以及加热、冷却速度快的特点可实现传统技术达到的普遍要求,加工属热化学过程。这里要突出的是,通过脉冲式激光辐射可达到接近“冷”加工的光化学动力过程。一方面选择脉冲的时间宽度,使得材料内的热传导过程和热化学反应来不及发生;另一方面通过控制激光的

19、功率密度和脉冲计数,按要求达到确定的去除深度,从而实现高精度的“线”切割和“点”钻孔加工。欧美一些国家在许多特殊要求的领域和产业中已普遍采用这种脉冲光制造技术。(3微细加工制造激光微细加工技术最成功的应用是在20世纪后半叶发展起来的微电子学领域。激光微细加工作为微电子集成工艺中的单元微加工技术之一,现已形成固定模式并投入规模化生产中。除此之外,能突显其优势的领域还有精密光学仪器的制造、高密度信息的写入存储、生物细胞组织的医疗等。选择适当波长的激光,通过各种优化工艺和逼近衍射极限的聚焦系统,获得高质量光束、高稳定性、微小尺寸焦斑的输出。利用其锋芒尖利的“光刀”特性,进行高密微痕的刻制、高密信息的

20、直写;也可利用其光阱的“力”效应,进行微小透明球状物的夹持操作。例如,高精密光栅的刻制(精密光刻;通过CAD/CAM软件进行仿真图案(或文字和控制,实现高保真打标;利用光阱的“束缚力”,对生物细胞执行移动操作(生物光镊。值得一提的是,高密度信息的激光记录和微细机械零部件的光制造。无论是数字记录或是扫描记录,还是图像与文字的模拟记录,激光记录方法(光刻都具有特别的优势并取得了重要突破,以数字记录为例:信息记录密度高(107108bit/cm2以上,刻录槽宽0.7m、深0.1m,比磁记录密度提高两个数量级以上;记录、检索、读出速度快,单波道达50Mbit/s,多波道可达320Mbit/s;信息的检

21、索和读出速度远远小于1秒;成本低、使用寿命长。在微细机械零部件的光制造方面,最近几年国外已将其列为攻关项目,成为未来高新技术前期研究的热点。日本采用激光技术,制造出微米量级的三维“纳米牛”,这说明日本在微纳量级的三维激光微成型机制上已经取得了巨大的进展。北京工业大学激光工程研究院应用准光，通过掩模方法，已经加工出 1 齿/50 m 和 108 齿/500 m 的微型齿轮 （4）高效的自动流程加工制造 由于激光输出的可控制性，使激光制造过程能够通过软件实行自动化流程 的智能控制。根据生产性质的需要，既可实行加工台的定位控制亦可通过激光的 光纤传输实行加工头的机器手定位控制，从而实现高效的自动化、

22、智能化激光制 造。比如，汽车车身覆盖件的三维定位切割、车身骨构架的焊接、齿轮盘及其他 零部件的焊接加工等，已形成激光加工、组装一条龙的生产线。 综合激光技术的优点及以被广泛应用的技术的缺点， 把激光技术应用于刀具材料 表面强化处理， 将是提高刀具耐磨性及其使用寿命的重要途径之一，尤其对于陶 瓷、硬质合金刀具这种高硬度、耐热性好等优点，有利于提高加工效率和加工精 度， 并能对难加工材料如淬火钢在不利的加工条件下进行切削加工。由于它们强 度相对较低，韧性较差，严重地限制了它们的应用范围，因此把激光表面强化技 术应用于陶瓷、硬质合金刀具具有深刻的研究意义和广阔的应用前景。 目前， 国内外提高刀具抗磨

23、损的方法主要分为两类：一种是常规的表面处理 法，如采用非常规的表面淬火方法、激光熔覆的方法（覆层的合金粉多为 Ni、 Co 基自熔合金或添加粗颗粒的碳化钨或者采用激光厚层熔覆，这类方法比较适 用于磨粒磨损很高的工况，例如，矿山、石油、农机等采掘工具）等，其存在的 缺点就是易产生裂纹等缺陷。 另一种是最近发展起来的涂层刀具，此类方法的缺 点就是沉积涂层较薄。 这两种方法都有其不同程度的缺点。前者是通过材料本身 发生的显微组织转变来提高硬度及耐磨性，因而只对碳钢有效，而对硬质合金、 高速钢材料的刀具材料而言则效果不明显，采用后者不仅涂层较薄，涂层沉积时 间较长， 而且实际使用中常常发生剥落现象。可见激光强化处理技术它的优势是 无法估量的，它会给加工业注入新的活力。 四.激光加工技术现状及国内外发展趋势 1.激光加工技术现状和各领域的发展 作为 20 世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱 之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。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。据 19971998 年的最新激光市场评述和预测， 1997 年全世界总激