激光加工技术

激光加工就是利用材料在激光照射下瞬时急剧熔化和气化,并产生强烈的冲击波,使熔化物质爆炸式地喷溅和去除来实现加工的。

自1960年激光出现以来,激光已被广泛应用于工业、农业、医学、信息及科学研究中,而激光加工技术则是激光应用中的一个十分重要而又最具活力的方面。

1.激光加工的特点

由于激光具有单色性好、方向性好、相干性好和高亮度的特征,给激光加工带来其他方法所不具备的特点。

(1)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,工件变形小,后续加工量小。

(2)由于激光束易与导向,聚集和发散,可以任意改变光束的方向,所以极易与数控机床、机器人进行连接,构成各种加工系统,对复杂工件进行加工。

(3)可以通过透明的介质对密闭容器内的工件进行各种加工。

(4)可以对多种金属、非金属进行加工,特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料。

(5)属于无接触加工,因此可以实现多种加工的目的。并且加工速度快、无噪声、对工件不污染。

(6)激光加工不但生产效率高,加工质量稳定可靠,而且无公害、绿色环保。

2.激光加工的应用

(1)激光切割

激光切割以其切割范围广、切割速度快、切缝窄、切割质量好、热影响区小、加工柔性大等特点在现代工业中得到了极为广泛的应用。

1)金属材料的激光切割

激光可切割碳钢、不锈钢、合金钢、铝及其合金、钛及其合金等。

2)非金属材料的激光切割

激光可切割木材、塑料、橡胶、纸、纤维与布料、陶瓷、石英、玻璃。

3)其他特种材料的激光切割

对于具有高硬度、高熔点的碳化钨及碳化钛等硬质合金,采用激光切割,不但能提高生产率(相对电火花切割),而且还可以提高切边的硬度。

(2)激光焊接

激光焊接是用激光束将被焊金属加热至熔化温度以上熔合而成焊接接头,从而达到连接的目的。

按激光束的输出方式不同,可以把激光焊分为脉冲激光焊和连续激光焊。若根据激光焊时焊缝的形成点,又可以把激光焊分为热导焊和深熔焊。前者使用激光功率低,熔池形成时间长,且熔深浅,多用于小型零件的焊接;后者使用的激光功率密度高,激光辐射区金属熔化速度快,在金属熔化的同时伴随着强烈的冷化,能获得熔深较大的焊缝,焊缝的深宽比较大。

激光焊接有以下特点。

1)热导焊的特点:

①焊接速度快、深度大、变形小。

②能在室温或特殊的条件下进行焊接,焊接设备装置简单。

③可焊接难熔材料,如钛、石英等。并能对异种材料施焊,效果良好。

④可进行微型焊接,并能应用于自动化生产,大幅度提高生产率。同时热影响区小,焊点无污染,焊接质量高。

⑤可焊接难以接近的焊点,施行非接触远距离焊接,具有很大的灵活性。

2)深熔焊的特点

①可以实施高的加工速度,并利用光的无惯性,在高速加工过程中可急停和重新开始。由于能量高度集中,加工速度高,因此可获得高深宽比的狭焊缝和窄的近热影响区,整个焊接接头变形很小。

②焊接过程不需要电极和填充材料,焊接区几乎不受污染;再加上激光深熔焊机制产生的纯化作用,可形成较纯、低杂质焊缝。

③容易实现自动化焊接,并可在高速下焊接复杂形状的工件。

④可以焊接一般方法难以焊接的材料。甚至可以进行金属与非金属,不同种类的金属之间的焊接。

⑤通过分光装置可实现一台激光器供多个工作台进行不同的工作,一机多用。

⑥适用于在透明物体制成的密封容器里焊接剧毒材料。激光不受电磁场影响,不存在X射线防护,不需要真空保护。

激光焊接目前也存在着价格昂贵;对焊接件加工组装、定位要求很高;激光器的电光转换及整体效率很低等缺点。

(3)激光淬火

激光淬火是以高能量密度(104～105W/cm2)的激光束快速扫描工件表面,使其表面极薄一层的小区域内快速吸收能量而使温度急剧上升(升温速度可达到105～106℃/s),而此时工件其他部位仍处于冷态。由于热传导的作用,表面热量迅速传导工件其他部位,在瞬时(冷却速度可达105℃/s)可进行自冷淬火,从而完成工件表面的相变硬化。

1)激光淬火的特点

①激光束能量密度高,淬火过程工件表面急冷急热,淬硬层马氏体晶粒极细。硬度比常规淬火高15%～20%。

②工件变型极小,适合于精度零件的处理。淬火后可以不用矫直及精磨等工序。

③可以对内孔、深孔、盲孔、凹孔等形状复杂的零件进行硬化处理。还可以根据需要调整硬化层的深浅,一般可达0.1～1mm。

④激光淬火无污染、工艺简单、生产效率高,可实现自动化生产,经济效益显著。

⑤激光淬火的不足:硬化深度有限,一般在1mm内;设备费用高。

2)激光淬火的应用

激光淬火技术已经广泛应用于各行各业,尤其在交通运输工具、纺织机械、重型机械、精密零件等行业广泛应用。在诸多的应用中,尤以在汽车制造领域最为普遍,产生的经济价值也最大。

我国各地几乎都有不同规模的激光加工中心,为各行业及其零件进行激光热处理。如:西安内燃机配件厂,北京内燃机集团,大连机车车辆厂,长安一汽集团,青岛中发激光技术有限公司等。

激光淬火技术正在我国迅猛的发展,前景非常广阔。

(4)激光的其他加工技术

激光焊接及激光淬火是比较传统的加工方法。随着科学技术的发展,激光加工技术正在或已经在其他新的应用方面得到了发展。

1)激光微细加工技术

随着工业和技术的不断发展,有些制品孔的直径和沟槽尺寸越来越小,而这些尺寸的公差要求却越来越严格,只有用激光方法才能满足对零件提出的从1μm～1mm的所有要求。

激光微细加工技术主要分为:光刻法;刻蚀法;LIGA技术。

(2)激光熔覆与激光合金化

激光熔覆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102～106℃/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,从而形成一种新的复合材料。

激光合金化,是金属材料表面局部改性处理的一种新的方法。它是指在高能量激光束的照射下,使基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合,形成厚度为10～1000μm的表面熔化层,这种合金层具有高于基材的某些性能,所以能够达到表面改性处理的目的。

随着人们对激光合金化的认识越来越深入,激光合金化技术的应用也愈来愈广泛。目前,大量应用在提高钢铁的抗热腐蚀性能、止裂性能和抗硫化氢腐蚀性能,它可以改善铸钢和铸铁的强韧性、耐腐性。

伴随着科学技术的进步,人们的不断研究和探索,激光合金技术将向机械结构用钢、不锈钢、耐热钢、建筑用钢、特殊钢方面延伸,从而,必将产生巨大的经济效益。

目前激光材料成形和激光冲压成形技术也广泛的得到了应用。