激光及其材料加工技術(shù)的研究與應(yīng)用

1、一、激光加工技術(shù)概述激光是本世紀(jì)的重大發(fā)明之一,具有巨大的技術(shù)潛力。激光因具有單色性、相干性和平行性三大特點,特別適用于材料加工。激光加工是激光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域,國外已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。激光的空間控制性和時間控制性很好,對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大,特別適用于自動化加工。激光加工系統(tǒng)與計算機數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動化加工設(shè)備,已成為企業(yè)實行適時生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù),為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)。激光加工技術(shù)是涉及到光

2、、機、電、材料及檢測等多門學(xué)科的一門綜合技術(shù),它的研究范圍一般可分為:1.激光加工系統(tǒng)。包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。2.激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。1、激光加工的原理激光加工是將激光束照射到工件的表面,以激光的高能量來切除、熔化材料以及改變物體表面性能。由于激光加工是無接觸式加工,工具不會與工件的表面直接磨察產(chǎn)生阻力,所以激光加工的速度極快、加工對象受熱影響的范圍較小而且不會產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動速度均可調(diào)節(jié),因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上。2、激光加工的特點激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領(lǐng)域存

3、在的優(yōu)勢:由于它是無接觸加工,并且高能量激光束的能量及其移動速度均可調(diào),因此可以實現(xiàn)多種加工的目的。它可以對多種金屬、非金屬加工,特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點的材料。激光加工過程中無“刀具”磨損,無“切削力”作用于工件。激光加工過程中,激光束能量密度高,加工速度快,并且是局部加工,對非激光照射部位沒有影響或影響極小。因此,其熱影響區(qū)小,工件熱變形小,后續(xù)加工量小。它可以通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進行各種加工。使用激光加工,生產(chǎn)效率高,質(zhì)量可靠,經(jīng)濟效益好它的研究范圍一般可分為:1.激光加工系統(tǒng)包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。2.激光加工工藝包括切割、焊接、表面

4、處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。二. 激光加工技術(shù)應(yīng)用激光加工應(yīng)用領(lǐng)域中,CO2激光器以切割和焊接應(yīng)用最廣,分別占到70%和20%,表面處理則不到10%。而YAG激光器的應(yīng)用是以焊接、標(biāo)記(50%和切割(15%為主。在美國和歐洲CO2激光器占到了7080%。我國激光加工中以切割為主的占10%,其中98%以上的CO2激光器,功率在1.5kW2kW范圍內(nèi),而以熱處理為主的約占15%,大多數(shù)是進行激光處理汽車發(fā)動機的汽缸套這項技術(shù)的經(jīng)濟性和社會效益都很高,市場好。在汽車工業(yè)中,激光加工技術(shù)充分發(fā)揮了其先進、快速、靈活地加工特點。如在汽車樣機和小批量生產(chǎn)中大量使用三維激光切割機,不僅節(jié)省了

5、樣板及工裝設(shè)備,還大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期;激光束在高硬度材料和復(fù)雜而彎曲的表面打小孔,速度快而不產(chǎn)生破損;激光焊接在汽車工業(yè)中已成為標(biāo)準(zhǔn)工藝,日本Toyota已將激光用于車身面板的焊接,將不同厚度和不同表面涂敷的金屬板焊接在一起,然后再進行沖壓。雖然激光熱處理在國外不如焊接和切割普遍,但在汽車工業(yè)中仍應(yīng)用廣泛,如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家,激光加工技術(shù)和計算機數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合,派生出激光快速成形技術(shù)。該項技術(shù)不僅可以快速制造模型,而且還可以直接由金屬粉末溶融。到了80年代,YAG激光器在焊接、切割、打孔和標(biāo)記等方面發(fā)揮了越來越大作用。通常認(rèn)為Y

6、AG激光器切割可以得到好的切割質(zhì)量和高的切割精度,但在切割速度上受到限制。隨著YAG激光器輸出功率和光束質(zhì)量的提高而被突破。YAG 激光器已開始擠進kw級CO2激光器切割市場。YAG激光器特別適合焊接不允許熱變形和焊接污染的微型器件,如鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等。YAG激光器打孔已發(fā)展成為最大的激光加用。目前,國外激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展,主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高達(dá)3050kw,打孔用的脈沖寬度越來越窄,重復(fù)頻率越來越高,激光器輸出參數(shù)的提高,很大程度上

7、改善了打孔質(zhì)量,提高了打孔速度,也擴大了打孔的應(yīng)用范圍。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金拉絲模的。在材料加工業(yè)中,切削加工是基本而又常用的精密加工手段,在機械、電機、電子等各種產(chǎn)業(yè)部分中都起著重要的作用,決定切削加工效率的因素很多如機床、刀具、工件等,其中刀具是最活躍的因素。而刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面質(zhì)量的優(yōu)劣等等,在很大程度上取決于刀具材料的機械性能和加工性能,因此人們不斷地研究開發(fā)新的刀具材料。但新材料的開發(fā)速度常常與現(xiàn)代切削加工生產(chǎn)要求存在一定的差距,如在高速切削300 1000m/min切削鋼、90200m/min切削鈦合金等要達(dá)

8、到這樣高的切削速度,就要發(fā)展具有更加優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及高溫?zé)峥拐裥缘牡毒卟牧?加速刀具材料的研究與開發(fā),合理選用刀具材料是推動高速切削技術(shù)廣泛應(yīng)用的重要前提。而激光對物體材料表面的強化處理就可以解決刀具材料選擇這一問題,下面我就將對這種技術(shù)從各方面做一簡要的介紹。激光表面強化技術(shù)基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個過程,在金屬材料激光表面強化中,當(dāng)激光束能量密度處于低端時可用于金屬材料的表面相變強化,當(dāng)激光束能連密度處于高端時,工件表面光斑出相當(dāng)與一個移動的坩堝,可完成一系列的冶金過程,包括表面重熔、表層增碳、表層合金化和表層熔覆。這些功能在實際應(yīng)用中引發(fā)的

9、材料替代技術(shù),將給制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。激光表面強化包括金屬表面淬火、表面合金化、表面涂復(fù)三個方面,激光表面強化是利用大功率CO2激光器產(chǎn)生的激光束作熱源,用激光來輻射待強化的金屬表面。通過激光淬火、激光熔融改變合金表面成分,激光熔敷難熔金屬或陶瓷,以大幅度改變金屬表面的機械性能、化學(xué)性能、耐熱抗氧化性能,該技術(shù)效率高、適應(yīng)性強、淬火硬度比一般熱處理高510HRC,同時節(jié)材、節(jié)電,不變形,無公害。而在刀具材料改性中主要應(yīng)用的是熔化處理,熔化處理是金屬材料表面在激光束照射下成為溶化狀態(tài),同時迅速凝固,產(chǎn)生新的表面層。根據(jù)材料表面組織變化情況,可分為合金化、溶覆、重溶細(xì)化、上釉和表面復(fù)合化等。

10、激光熔凝是用適當(dāng)?shù)膮?shù)的激光輻照材料表面,使其表面快速熔融、快速冷凝,獲得較為細(xì)化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術(shù)。它具有以下優(yōu)點:1.表面熔化時一般不添加任何金屬元素,熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合。2.在激光熔凝過程中,可以排除雜質(zhì)和氣體,同時急冷重結(jié)晶獲得的雜志有較高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。3.其熔層薄、熱作用區(qū)小,對表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時可不再進行后續(xù)磨光而直接使用。4.提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限,晶粒及第二相質(zhì)點超細(xì)化,形成亞穩(wěn)相可獲得無擴散的單一晶體結(jié)構(gòu)甚至非晶態(tài),從而使生成的新型合金獲得傳統(tǒng)方法得不到的優(yōu)良性能。5.光束可以通過光路導(dǎo)向,因而可以處理零件特殊位置

11、和形狀復(fù)雜的表面。激光堆焊是繼激光熔覆技術(shù)上發(fā)展起來的一項新的激光加工技術(shù),借鑒傳統(tǒng)的堆焊技術(shù)優(yōu)點,用大功率激光為加熱源,對同步送入的合金焊絲與基體表層同時快速熔化,得到和基體完全冶金結(jié)合的并具有特殊性能(耐磨、耐蝕、耐熱等的表層,形成復(fù)合層,用于制造雙金屬刀具。而激光合金化則是在基體的表面熔融層內(nèi)加入合金元素,從而形成以基材為基礎(chǔ)的新的合金層,達(dá)到表面改性,刃口強韌化的目的。幾種典型激光加工應(yīng)用;激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中,可大大減少加工時間,降低加工成本,提高工件質(zhì)量。激光切割是應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來實現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的板材加工方法相比 , 激光切割其具有高的

12、切割質(zhì)量、高的切割速度、高的柔性(可隨意切割任意形狀、廣泛的材料適應(yīng)性等優(yōu)點。激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一,焊接過程屬熱傳導(dǎo)型,即激光輻射加熱工件表面,表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴散,通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等參數(shù),使工件熔化,形成特定的熔池。由于其獨特的優(yōu)點,已成功地應(yīng)用于微、小型零件焊接中。與其它焊接技術(shù)比較,激光焊接的主要優(yōu)點是:激光焊接速度快、深度大、變形小。能在室溫或特殊的條件下進行焊接。隨著電子產(chǎn)品朝著便攜式、小型化的方向發(fā)展,對電路板小型化提出了越來越高的需求,提高電路板小型化水平的關(guān)鍵就是越來越窄的線寬和不同層面線路之間越來越小的微型過孔和盲

13、孔。傳統(tǒng)的機械鉆孔最小的尺寸僅為100m,這顯然已不能滿足要求,代而取之的是一種新型的激光微型過孔加工方式。目前用CO2激光器加工在工業(yè)上可獲得過孔直徑達(dá)到在30-40m的小孔或用UV激光加工10m左右的小孔。目前在世界范圍內(nèi)激光在電路板微孔制作和電路板直接成型方面的研究成為激光加工應(yīng)用的熱點,利用激光制作微孔及電路板直接成型與其它加工方法相比其優(yōu)越性更為出,具有極大的商業(yè)價值。激光切割鋼材時,氧氣和聚焦的激光束是通過噴嘴射到被切材料處,從而形成一個氣流束。對氣流的基本要求是進入切口的氣流量要大,速度要高,以便足夠的氧化使切口材料充分進行放熱反應(yīng);同時又有足夠的動量將熔融材料噴射吹出。因此除光

14、束的質(zhì)量及其控制直接影響切割質(zhì)量外,噴嘴的設(shè)計及氣流的控制(如噴嘴壓力、工件在氣流中的位置等也是十分重要的因素。以下為激光表面強化技術(shù)在刀具材料改性中的應(yīng)用實例。1、家用廚刀激光熔覆表面改性采用激光涂層在常用的不銹鋼廚刀刃口進行薄層快速熔覆,得到涂覆層均勻、高耐磨的刀具刃口,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的刀具生產(chǎn)工藝,改造其產(chǎn)業(yè)提高刀具(廚刀產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量和附加值。通過對涂層材料的配比、激光涂層性能等方面的分析研究,開發(fā)出與“懶漢刀”同等水平的廚刀并將其實用化。通過優(yōu)化工藝采用預(yù)置式合金粉末得到了無裂紋、一定硬度涂層的厚度、變形小、回火帶窄的刃口?？梢钥闯?熔覆層均勻覆蓋在刀刃上。2、激光熔滲納米改性強化刀具激光

15、熔滲是一種結(jié)合激光熔覆工藝和激光合金化工藝的表面改性的方法。將其運用到園林刀具生產(chǎn)過程中,可以對不同類型的刀具進行激光表面改性強化。納米材料較之微米級材料具有更好的力學(xué)性能,涂覆于基體表面的納米合金粉在高密度的激光束作用下快速熔凝,以部分納米硬質(zhì)合金顆粒滲入到基體材料中,起到了微合金化作用,而刀具表面又可以獲得納米晶的覆層,因而不僅提高了強韌性及耐磨而且還加深了刀具刃口的硬度層深,延長了刀具的使用壽命。所以,激光強化技術(shù)在刀具材料改性應(yīng)用潛力將是巨大的。目前國內(nèi)外對工程陶瓷與硬質(zhì)合金材料的研究有一定的進展,另一方面激光對刀具進行表面強化處理屬當(dāng)前機械加工領(lǐng)域的前沿,用強激光束對代替某些熱處理是

16、一種有效的方法,結(jié)合當(dāng)前納米技術(shù)的發(fā)展,在這三個方向的基礎(chǔ)上找到它們的結(jié)合點,參照同類近似的研究方法,對陶瓷、硬質(zhì)合金的激光強化機理及技術(shù)進行研究,提出了在以后研究工作中將通過對高耐磨/耐蝕/耐熱納米硬質(zhì)粉材(陶瓷、復(fù)合材料等的研制及配比、激光納米強化層性能、激光厚層堆焊工藝與硬質(zhì)合金材料等方面的分析研究,針對不同刀具采用相應(yīng)的工藝,利用普通的刀具材料開發(fā)出提高刀具刃口強韌性、耐磨性及使用壽命的新產(chǎn)品,獲得對各種刀具類材料激光堆焊復(fù)合、納米合金熔滲及產(chǎn)品化實用化的總體工藝技術(shù),使其能滿足實際生產(chǎn)的復(fù)雜要求,尤其是克服陶瓷刀具材料脆性大、可靠性低等缺點,為改進硬質(zhì)合金和陶瓷材料增添了一條有效的途

17、徑。(1特種材料特殊要求的加工激光焊接與大多數(shù)傳統(tǒng)的焊接方法相比具有突出的優(yōu)點。激光能量的高度集中和加熱、冷卻過程的極其迅速,可破壞一些難熔金屬表面的應(yīng)力閾值,或使高導(dǎo)熱系數(shù)和高熔點金屬快速熔化,完成某些特種金屬或合金材料的焊接,而且在激光焊接過程中無機械接觸,容易保證焊接部位不因熱壓縮而變形,還排除了無關(guān)物質(zhì)落入焊接部位的可能;如果采用大焦深的激光系統(tǒng),還可實現(xiàn)特殊場合下的焊接,比如,由軟件控制的需隔離的遠(yuǎn)距離在線焊接、高精密防污染的真空環(huán)境焊接等;在不發(fā)生材料表面蒸發(fā)的情況下可熔化最大數(shù)量的物質(zhì),達(dá)到高質(zhì)量的焊接。以上特點是傳統(tǒng)的焊接工具與方法很難或完全不能做到的。目前,在汽車、國防、航空

18、航天等一些特殊行業(yè),已普遍采用激光焊接技術(shù)2。例如歐洲一些國家,對高檔汽車車殼與底座、飛機機翼、航天器機身等一些特種材料的焊接,激光的應(yīng)用已基本取代了傳統(tǒng)的焊接。(2特殊精度的加工制造這里指的高精度除通常意義下的精確定位外,主要還體現(xiàn)在材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)效應(yīng)量級上的控制。激光的顯著特點之一,就是可采取連續(xù)和脈沖方式輸出。以固體的鉆孔與切割為例,激光能量高度集中,以及加熱、冷卻速度快的特點可實現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)達(dá)到的普遍要求,加工屬熱化學(xué)過程。這里要突出的是,通過脈沖式激光輻射可達(dá)到接近“冷”加工的光化學(xué)動力過程。一方面選擇脈沖的時間寬度,使得材料內(nèi)的熱傳導(dǎo)過程和熱化學(xué)反應(yīng)來不及發(fā)生;另一方面通過控制激光的

19、功率密度和脈沖計數(shù),按要求達(dá)到確定的去除深度,從而實現(xiàn)高精度的“線”切割和“點”鉆孔加工。歐美一些國家在許多特殊要求的領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)中已普遍采用這種脈沖光制造技術(shù)。(3微細(xì)加工制造激光微細(xì)加工技術(shù)最成功的應(yīng)用是在20世紀(jì)后半葉發(fā)展起來的微電子學(xué)領(lǐng)域。激光微細(xì)加工作為微電子集成工藝中的單元微加工技術(shù)之一,現(xiàn)已形成固定模式并投入規(guī)模化生產(chǎn)中。除此之外,能突顯其優(yōu)勢的領(lǐng)域還有精密光學(xué)儀器的制造、高密度信息的寫入存儲、生物細(xì)胞組織的醫(yī)療等。選擇適當(dāng)波長的激光,通過各種優(yōu)化工藝和逼近衍射極限的聚焦系統(tǒng),獲得高質(zhì)量光束、高穩(wěn)定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的“光刀”特性,進行高密微痕的刻制、高密信息的

20、直寫;也可利用其光阱的“力”效應(yīng),進行微小透明球狀物的夾持操作。例如,高精密光柵的刻制(精密光刻;通過CAD/CAM軟件進行仿真圖案(或文字和控制,實現(xiàn)高保真打標(biāo);利用光阱的“束縛力”,對生物細(xì)胞執(zhí)行移動操作(生物光鑷。值得一提的是,高密度信息的激光記錄和微細(xì)機械零部件的光制造。無論是數(shù)字記錄或是掃描記錄,還是圖像與文字的模擬記錄,激光記錄方法(光刻都具有特別的優(yōu)勢并取得了重要突破,以數(shù)字記錄為例:信息記錄密度高(107108bit/cm2以上,刻錄槽寬0.7m、深0.1m,比磁記錄密度提高兩個數(shù)量級以上;記錄、檢索、讀出速度快,單波道達(dá)50Mbit/s,多波道可達(dá)320Mbit/s;信息的檢

21、索和讀出速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1秒;成本低、使用壽命長。在微細(xì)機械零部件的光制造方面,最近幾年國外已將其列為攻關(guān)項目,成為未來高新技術(shù)前期研究的熱點。日本采用激光技術(shù),制造出微米量級的三維“納米?！?這說明日本在微納量級的三維激光微成型機制上已經(jīng)取得了巨大的進展。北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院應(yīng)用準(zhǔn)光，通過掩模方法，已經(jīng)加工出 1 齒/50 m 和 108 齒/500 m 的微型齒輪 （4）高效的自動流程加工制造 由于激光輸出的可控制性，使激光制造過程能夠通過軟件實行自動化流程 的智能控制。根據(jù)生產(chǎn)性質(zhì)的需要，既可實行加工臺的定位控制亦可通過激光的 光纖傳輸實行加工頭的機器手定位控制，從而實現(xiàn)高效的自動化、

22、智能化激光制 造。比如，汽車車身覆蓋件的三維定位切割、車身骨構(gòu)架的焊接、齒輪盤及其他 零部件的焊接加工等，已形成激光加工、組裝一條龍的生產(chǎn)線。 綜合激光技術(shù)的優(yōu)點及以被廣泛應(yīng)用的技術(shù)的缺點， 把激光技術(shù)應(yīng)用于刀具材料 表面強化處理， 將是提高刀具耐磨性及其使用壽命的重要途徑之一，尤其對于陶 瓷、硬質(zhì)合金刀具這種高硬度、耐熱性好等優(yōu)點，有利于提高加工效率和加工精 度， 并能對難加工材料如淬火鋼在不利的加工條件下進行切削加工。由于它們強 度相對較低，韌性較差，嚴(yán)重地限制了它們的應(yīng)用范圍，因此把激光表面強化技 術(shù)應(yīng)用于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具具有深刻的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。 目前， 國內(nèi)外提高刀具抗磨

23、損的方法主要分為兩類：一種是常規(guī)的表面處理 法，如采用非常規(guī)的表面淬火方法、激光熔覆的方法（覆層的合金粉多為 Ni、 Co 基自熔合金或添加粗顆粒的碳化鎢或者采用激光厚層熔覆，這類方法比較適 用于磨粒磨損很高的工況，例如，礦山、石油、農(nóng)機等采掘工具）等，其存在的 缺點就是易產(chǎn)生裂紋等缺陷。 另一種是最近發(fā)展起來的涂層刀具，此類方法的缺 點就是沉積涂層較薄。 這兩種方法都有其不同程度的缺點。前者是通過材料本身 發(fā)生的顯微組織轉(zhuǎn)變來提高硬度及耐磨性，因而只對碳鋼有效，而對硬質(zhì)合金、 高速鋼材料的刀具材料而言則效果不明顯，采用后者不僅涂層較薄，涂層沉積時 間較長， 而且實際使用中常常發(fā)生剝落現(xiàn)象。可見激光強化處理技術(shù)它的優(yōu)勢是 無法估量的，它會給加工業(yè)注入新的活力。 四.激光加工技術(shù)現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 1.激光加工技術(shù)現(xiàn)狀和各領(lǐng)域的發(fā)展 作為 20 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要標(biāo)志和現(xiàn)代信息社會光電子技術(shù)的支柱 之一，激光技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界先進國家的高度重視。激光加工是 國外激光應(yīng)用中最大的項目，也是對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段，主要是 kW 級 到 10kW 級 CO2 激光器和百瓦到千瓦級 YAG 激光器實現(xiàn)對各種材料的切割、 焊接、打孔、刻劃和熱處理等。據(jù) 19971998 年的最新激光市場評述和預(yù)測， 1997 年全世界總激