激光技術(shù)在機械五金行業(yè)的應(yīng)用

1、激光加工技術(shù)在機械五金鈑金行業(yè)的應(yīng)用激光加工是 20 世紀 60 年代初期興起的一項新技術(shù)，此后逐步應(yīng)用于機械、汽車、航空、電子等行業(yè)，尤以機械行業(yè)的應(yīng)用開展速度最快。在機械制造業(yè)中的廣泛使用又推動了激光加工技術(shù)的工業(yè)化。20 世紀 70 年代，美國進行了兩大研究:一是福特汽車公司進行的車身鋼板的激光焊接;二是通用汽車公司進行的動力轉(zhuǎn)向變速箱內(nèi)外表的激光淬火。這兩項研究推動了以后的機械制造業(yè)中的激光加工技術(shù)的開展。到了 20 世紀 80 年代后期，激光加工的應(yīng)用實例有所增加,其中增長最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。這

2、 3 項技術(shù)目前已經(jīng)開展成熟，應(yīng)用也很廣泛。進入20 世紀 90 年代后期，激光珩磨技術(shù)的出現(xiàn)又將激光微細加工技術(shù)在機械加工中的應(yīng)用翻開了嶄新的一頁。激光加工技術(shù)之所以得到如此廣泛的應(yīng)用，是因為它與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比具有很多優(yōu)點：一是非接觸加工，沒有機械力；二是可以加工高硬度、高熔點、極脆的難加工材料；三是加工區(qū)小，熱變形很小，加工質(zhì)量高；四是與現(xiàn)代數(shù)控機床相結(jié)合，使激光加工具有加工精度高、可控性好、程序簡單、省料及污染少等特點。下面綜合介紹應(yīng)用比擬廣泛的幾種激光加工技術(shù)在機械五金鈑金行業(yè)的應(yīng)用。激光切割技術(shù)激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度光束照

3、射工件，材料吸收激光能，溫度急劇升高，工件外表開始熔化或氣化，并吹入活性氣體助燃。隨著激光束與工件的相對運動，在工件上形成切縫。激光照射工件外表時，一局部光被吸收，一局部光被工件反射。吸收局部轉(zhuǎn)化為熱能，使工件外表溫度急劇升高，材料熔化、氣化，產(chǎn)生黑洞效應(yīng)，使材料吸收率提高，迅速加熱切割區(qū)材料。此時吹氧可以助燃，并提供大量熱能，使切割速度提高；還可吹走熔渣、保護鏡頭、冷卻鏡頭。為了提高工件材料吸收系數(shù)，切割前對工件進行黑化處理，最簡單的方法是涂墨汁。激光切割采用 CO2激光或 YAG 激光器 ，進行二維和三維的切割加工 ，具有切割精度高的特點。激光源功率大小不等 ，從 5W到 90kW 均有系

4、列的產(chǎn)品 ，鈑金件的激光切割主要是采用 100W1500W 的功率激光。當(dāng)激光源的輸出功率小于 1 500W 時 ，激光源為單模振蕩模式 ，可進行 0.2mm 寬度的切割 ，該以功率切割之后干凈平整 ；當(dāng)激光源的輸出功率大于 1 500W 時 ，激光源為多模振蕩模式 ，可進行 lmm 寬度的切割 ，但該以功率切割之后會有少量的污物。對厚板切割時需采用輔助氣體配合 ，輔助氣體包括空氣、氧氣和氮氣等 ，其中氮氣可以在切割過程中防止切面的氧化 ，氧氣適用于厚度較大板的高速切割情況。激光切割可采用 CAD 或 CAM 技術(shù) ，為加工工件模型和激光器提供加工信息和加工參數(shù) ，可快速高精度的完成生產(chǎn) ，實

5、現(xiàn)自動化的切割。，激光切割無需重更換模具 ，可以實現(xiàn)生產(chǎn)準備周期縮短 ，生產(chǎn)本錢降低的效果。激光焊接技術(shù)     激光焊接可分為脈沖焊接和大功率的連續(xù)焊接。激光焊接是利用極高能量密度的激光束熔合材料，具有焊接速度快、強度高、焊縫窄、熱影響區(qū)小，并且工件變形量小，后續(xù)處理工作量少，靈活性高等優(yōu)點。激光焊接不僅能焊接常見的碳鋼和不銹鋼，還能焊接使用傳統(tǒng)焊接方法難以焊接的材料，如結(jié)構(gòu)鋼、鋁、銅等金屬，且能夠焊接各種形式的焊縫如圖1所示圖1 適用于激光焊接的焊縫類型現(xiàn)代鈑金制造對焊接強度和外觀效果等質(zhì)量的要求越來越高，尤其是高附加值且對焊接質(zhì)量要求極高的部件，可

6、以采用無需后續(xù)加工或者極少后續(xù)加工的方式來完成。而傳統(tǒng)的焊接手段，由于極大的熱量輸入，不可防止的會帶來工件扭曲變形等問題，因此為了彌補工件變形，需要大量的后續(xù)加工手段，從而導(dǎo)致費用的上升。而激光焊接具有最小的熱輸入量，因此帶來極小的熱影響區(qū)，在顯著提高焊接產(chǎn)品品質(zhì)的同時，減少了后續(xù)工作的時間。另外，由于焊接速度快和焊接深寬比大，能夠極大地提高焊接效率和穩(wěn)定性，因此激光焊接在鈑金制造中的應(yīng)用越來越普遍，相關(guān)案例如圖2所示。圖2 激光焊接在鈑金制造中的一些實例 激光熔覆技術(shù)激光熔覆是通過在基材外表添加熔覆材料，利用高能密度的激光使粉末熔化凝固并與基材外表形成冶金結(jié)合的熔覆層。激光熔覆技術(shù)

7、可極大的提高零件外表的硬度、耐磨性、抗腐蝕性，同時還可以循環(huán)再制造，節(jié)約零件使用本錢，延長使用壽命。激光熔覆廣泛應(yīng)用于航空、軍事、石油、化工、醫(yī)療等各個方面。采用激光熔覆技術(shù)如圖3所示，在金屬部件外表熔覆具有特殊性能的金屬基復(fù)合材料涂層，對磨損部位進行外表改性與強化，成為工程機械領(lǐng)域修復(fù)部件、延長零件使用壽命的重要途徑。這些與低強度母材為冶金結(jié)合的熔覆層，其化學(xué)成分、微觀組織和力學(xué)性能比母材有很大提高，可以獲得耐高溫、防腐蝕、耐磨損等優(yōu)異性能。外表涂層技術(shù)由于能獲得與基體結(jié)合良好，厚度適中的外表改性層而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。利用激光熔覆技術(shù)的優(yōu)勢在于節(jié)約昂貴的、具有戰(zhàn)略價值的合金元素，使得晶

8、粒細化、提高合金元素的固溶度、微觀結(jié)構(gòu)均勻化和改善鑄造零件的成分偏析，甚至形成非平衡相和非晶態(tài)等。        圖3 激光外表熔覆 激光外表淬火技術(shù)激光外表淬火是用高能激光束快速掃描工件外表，在外表極薄一層的小區(qū)域內(nèi)光斑大小快速吸收能量而使溫度急劇上升。由于金屬基體優(yōu)良的傳熱導(dǎo)熱性，外表熱量迅速傳到工件的其它局部，從而在極短的瞬間完成自冷淬火，實現(xiàn)工件外表的相變硬化。由熱處理理論知道，材料熱處理后的硬度與溫度的變化速率有密切關(guān)系。變化速率越大，硬度越高，耐磨性越好。激光淬火后，在工件外表可得到晶體細化、組織致密的馬氏體和萊氏體，表層

9、石墨消失，碳化物含量增加，彌散度提高，在次表層產(chǎn)生剩余奧氏體。對鑄鐵材料來說，工件外表硬度大幅度提高后，硬度可從原來 HV180250 提高到 HV1000 左右，耐磨性提高 34 倍以上，而且工件外表的抗疲勞性能和抗腐蝕性能也獲得明顯提高。激光外表淬火技術(shù)解決了許多常規(guī)熱處理工藝無法解決的問題，如薄壁件的淬火、內(nèi)孔零件的外表處理等，已大量應(yīng)用于冶金、汽車、模具、五金、輕工，機械制造等行業(yè)，適合各種零件的熱處理，如圖4所示即為激光外表淬火在五金工具中的應(yīng)用。        圖4  斜口鉗刃口淬火和凸輪外表淬火   

10、     激光打孔技術(shù)激光打孔技術(shù)是激光材料加工技術(shù)中最早實現(xiàn)實用化的激光技術(shù)。鈑金車間中激光打孔一般采用的是脈沖激光，能量密度較高，時間較短 ，可以加工1m 的小孔 ，特別適用于加工具有一定角度和材料較薄的小孔 ，還適合加工強度硬度較高或較脆較軟材料的零件上的深小孔和微小孔。激光可實現(xiàn)燃氣輪機的燃燒器部件打孔加工 ，打孔效果可實現(xiàn)三維方向 ，數(shù)量可到達上千個?？纱蚩椎牟牧习ú讳P鋼、鎳鉻鐵合金和哈斯特洛依HASTELLOY基合金。激光打孔技術(shù)不受材料的力學(xué)性能影響 ，實現(xiàn)自動化比擬容易。激光成形技術(shù)激光成形技術(shù)包括激光沖擊成形技術(shù)和激光彎曲成形技術(shù)等 ，可實現(xiàn)加

11、工彎曲的板材、半球體和球體和異形截面的零件。還可以在復(fù)雜管件上加工出凸凹的造型。激光沖擊成形技術(shù)是采用激光源對鈑金件的覆層照射 ，鈑料覆層受熱后產(chǎn)生塑性形變。激光彎曲成形技術(shù)是采用激光源對工件需要彎曲的部位進行照射，受熱后急劇冷卻，產(chǎn)生彎曲形變，激光彎曲成形技術(shù)特別使用于鈑金零件彎曲成形的大批量生產(chǎn)。激光珩磨技術(shù)激光珩磨是將激光和珩磨工藝結(jié)合起來的一項新技術(shù)，是在 20 世紀 90 年代后期，由德國格林Gehring公司創(chuàng)造并率先將其應(yīng)用到氣缸孔的外表處理中，不僅使氣缸和活塞環(huán)的磨損量下降 50%，而且使柴油發(fā)動機的柴油消耗量下降 40%，顆粒排放量下降 10%30%，汽油發(fā)動機的汽油消耗量降

12、低30%60%，HC 排放量下降約 20%。此研究成果吸引了許多工程技術(shù)人員轉(zhuǎn)向研究激光珩磨技術(shù)，從而使得這項技術(shù)日趨完善。激光珩磨技術(shù)就是利用具有一定能量密度的激光束，在工件工作外表上形成與潤滑性能要求優(yōu)化匹配的、連續(xù)均勻的、并具有一定密度(間距)、寬度、深度、角度及形狀的貯存和輸送潤滑油的溝槽、紋路或凹腔。其加工示意如圖 5 所示。圖 5 激光珩磨加工示意圖激光本身屬于高亮度、方向性準確、激光束單色性和平行性的相干光源 ，并且能量密度非常高。當(dāng)聚焦的激光束可以在所照射的材料上產(chǎn)生高溫。在上萬度高溫的作用下 ，無論材料多么堅硬都會瞬間熔化并蒸發(fā) ，同時產(chǎn)生沖擊波 ，使材料熔化去除。在激光材料加工過程中 ，本質(zhì)上造成局部受熱熔化形成汽化材料。激光加工技術(shù)可以加工用傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的零件加工。比方對于箱體較大的鋼件 ，需要加工許多不同大小的孔 ，這是傳統(tǒng)的加工方法不能做到 ，而激光加工技術(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)這些要求 ，即使加工相同的零件 ，激光加工技術(shù)也具有準確性高和時間短的有點 ，這樣產(chǎn)品就具有較強的市場競爭力。激光加工在二維平面中具有較強的柔