先進(jìn)制造業(yè)中的激光測試與激光加工技術(shù)

1、先進(jìn)制造業(yè)中的激光測試與激光加工技術(shù)激光技術(shù)是60年代初發(fā)展起來的影響了人類生活方方面面的門新興科學(xué)，由于激光具有強(qiáng)度高、單色性好、相干性好利方向性好等特點(diǎn)，在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng) 域得到了廣泛的應(yīng)用，大大推動(dòng)了制造業(yè)的進(jìn)步。在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用了激光硯覺 三維測量、激光層析成像、激光無損檢測技術(shù)和激光振動(dòng)測量。激光快速成型技術(shù)、 激光焊接技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光標(biāo)記技術(shù)、激光熱處理技術(shù)利 激光內(nèi)腔加工技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)辜、減少材 料消耗有重要意義，也為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無污染制造提供了技術(shù)基礎(chǔ)。1激光測試技術(shù)在先進(jìn)制造業(yè)中的應(yīng)用制造生產(chǎn)屮的許多信息需要通過檢測

2、來提供，生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種故障要通過檢測 去發(fā)現(xiàn)利防上，所需要的精度也要靠檢測來保證。沒有可靠的檢測就沒有現(xiàn)代化與 自動(dòng)化，更沒有高效率和高質(zhì)量。為適應(yīng)柔性自動(dòng)化的需要，機(jī)器人必須有硯覺系 統(tǒng)，能對(duì)裝配件的形體與姿態(tài)進(jìn)行識(shí)別，應(yīng)裝有位置與觸覺傳感器，進(jìn)行精確定位 與抓握力的控制，自動(dòng)導(dǎo)引車也應(yīng)有視覺或聲發(fā)射傳感器，以發(fā)現(xiàn)行進(jìn)中可能有的 障礙物等。1. 1激光視覺三維測量技術(shù)隨汁算機(jī)技術(shù)的日益完善，集信息處理為-體的激光三維硯覺系統(tǒng)得到了快速的 發(fā)展和應(yīng)用。工業(yè)硯覺測量技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)寧的應(yīng)用主要是視覺檢測和視覺引導(dǎo)。 視覺檢測主要是使用圖像或圖像的部分與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較、判別，以達(dá)到檢 測、分

3、析測試結(jié)果。硯覺引導(dǎo)是運(yùn)用圖像處理的方怯來引導(dǎo)自動(dòng)導(dǎo)向車等的行走路 線，找到最佳路徑，克服行走障礙，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的、快速的裝配、上料等。廣泛應(yīng)用的光點(diǎn)怯硯覺識(shí)別系統(tǒng)利片光怯硯覺識(shí)別系統(tǒng)，能對(duì)三維零件利平面圖 形進(jìn)行正確的識(shí)別和分類。提高測量精度和進(jìn)行快速測量，對(duì)大型復(fù)雜曲面的宏觀 形狀測量具有廣闊的前景，三維測量技術(shù)解決了對(duì)氣輪機(jī)葉片等大型工件的曲面測 量難題，有助于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真、模態(tài)分析和性能模擬，提高產(chǎn)品的設(shè)汁和制 造質(zhì)量。三維測量技術(shù)在機(jī)器識(shí)別、實(shí)物模型、工業(yè)檢測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用 前景越來越廣闊。1. 2激光層析成像技術(shù)通過激光掃描將激光源發(fā)岀的激光照射到物體或流體的截面，探測陣

4、列接受其透 射光及散射光后，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)宇信號(hào)，獲得被測物體的數(shù)據(jù)，然后再將所測得的數(shù)宇 信號(hào)進(jìn)行處理，得到所測物體的每像素點(diǎn)的參數(shù)值，根據(jù)像素矩陣經(jīng)圖像處理重 建所測物體的圖像。激光層析成像技術(shù)在先進(jìn)制造業(yè)中的逆向工程，流體機(jī)械寧流 場的溫度、密度、壓力和速度分析寧有很重要的應(yīng)用。1. 3激光無損檢測技術(shù)激光技術(shù)應(yīng)用于無損檢測的方法有激光全息干涉法、壓力波檢測怯、激光超生檢 測怯。激光全息干涉技術(shù)能對(duì)金屬表面缺陷進(jìn)行檢測，壓力波檢測怯是利用激光作 用在材料上所產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，激光超生檢測法是利用超聲 到達(dá)被測物體表面或沿表而傳播時(shí)，物體表面形狀或反射率的改變，將引起反射光 的

5、位置、強(qiáng)度對(duì)E位和頻率的變化來實(shí)現(xiàn)的。1. 4機(jī)械振動(dòng)的激光測量技術(shù)激光技術(shù)用于機(jī)械振動(dòng)測量的方怯有邁克爾遜光纖干涉測量、激光衍射測量、全 息術(shù)干涉法測量、多普勒測量技術(shù)利聲光調(diào)制雙頻外差測試儀等。全息術(shù)干涉怯測 量和多普勒測量技術(shù)為非接觸式測量，對(duì)被測物沒有影響，通過對(duì)全息干涉條紋進(jìn) 行解調(diào)汁算，求出振動(dòng)機(jī)件各向的位移值、振動(dòng)頻辜，發(fā)現(xiàn)振源位置。通過對(duì)振動(dòng) 的激光測量與振動(dòng)的特性分析，制造出輕量化、低噪聲、低袖耗、高性能的經(jīng)濟(jì)型、 環(huán)保型設(shè)備是現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展方向和目標(biāo)。2激光加工技術(shù)在先進(jìn)制造業(yè)中的應(yīng)用由于現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)械制造己包含著一種新的意義。它己經(jīng)不是傳統(tǒng) 意義上的機(jī)械制造

6、。它是集機(jī)械、電子、光學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、生物科學(xué)、 激光學(xué)、管理學(xué)等最新成就為一體的一個(gè)新興技術(shù)與新興工業(yè)。2. 1激光快速成型技術(shù)傳統(tǒng)的工業(yè)成型技術(shù)大部分是遵循"去除法”的，如車削、銃削、鉆削、磨削、刨 削：另外一些是釆用模具進(jìn)行成形，如鑄造、沖壓。激光快速成形技術(shù)集成了激光 技術(shù)、CAD / CAM技術(shù)和材料技術(shù)的最新成果，根據(jù)汁算機(jī)設(shè)汁出的零件的CAD 模型立體圖形，直接制造出模型，它制造模型的辦怯是在一層接一層的基礎(chǔ)上不斷 添加材料。激光快速成型方法有，液態(tài)光敏聚合物選擇性固化、薄型材料選擇性切 割、絲狀材料選擇性熔復(fù)、粉末材料選擇性燒結(jié)。激光快速成型技術(shù)在模具制造寧的

7、應(yīng)用最為廣泛，可以用快速成型件直接用作模 具：用快速成形件作母模，翻制軟模具：用快速成形件翻制硬模具。用快速成形技 術(shù)制作模具，既避開了復(fù)雜的機(jī)械切削加工，又可以保證模具的精度，還可以大大 縮短制模時(shí)間、節(jié)省制模費(fèi)用，對(duì)于形狀復(fù)雜的精度模具，其優(yōu)點(diǎn)尤為突出。該技 術(shù)己在航空航天、電子、汽車、家電等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，目前還存在 著模具壽命相對(duì)較短的缺點(diǎn)，即使是金屬面、硬背襯模具，其使用壽命也不及真正 的金屬模，所以快速成形模具較適合于單件小批量生產(chǎn)。2. 2激光焊接技術(shù)激光焊接是目前工業(yè)激光應(yīng)用的第二大領(lǐng)域。激光焊接是把激光聚焦成很細(xì)的高 能量密度光束照射到工件上，使工件受熱熔化，然后

8、冷卻得到焊繞。激光焊結(jié)熔深 大，速度快，效辜高：激光焊繞窄，熱影響區(qū)很小，工件變形也很小，可實(shí)現(xiàn)精密 焊接，激光焊繞結(jié)構(gòu)均勻，品粒很小，氣孔少，夾雜缺陷少，在機(jī)械性能，抗蝕性 能和電磁學(xué)性能上優(yōu)于常規(guī)焊接方法。激光焊接技術(shù)具有釧他序化效應(yīng)，能純凈焊繞金屬，適用于相同和不同金屬材料 間的焊接。激光焊接能量密度高，對(duì)高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱辜和物理特性相差很大的金屬 焊接特別有利。目前，汽車行業(yè)將不同材質(zhì)的薄鋼板實(shí)施激光拼接焊后沖壓成型， 激光拼接焊取代了電焊。通過光纖傳輸?shù)亩嗦芳す馐M(jìn)行多點(diǎn)或多組件焊接越來越 普及。在遠(yuǎn)離裝配區(qū)的位置裝置-臺(tái)中心激光器，由技工操作將激光能量用光纖傳 輸?shù)叫枰庸さ牡攸c(diǎn)從而

9、最大限度的利用YAG系統(tǒng)的焊接效果。由于YAG激光器 可利用光纖傳輸能量進(jìn)行遠(yuǎn)距高的焊接將大大促進(jìn)高功率YAG激光焊的發(fā)展。2. 3激光切割技術(shù)激光切割系統(tǒng)一直是激光加工應(yīng)用最廣泛的-項(xiàng)技術(shù)，激光切割是利用激光束聚 焦形成高功辜密度的光斑，將材料快速加熱至汽化溫度，再用噴射氣體吹化，以此 分割材料。脈沖激光適用于金屬材料，連續(xù)激光適用于非金屬材料，后考是激光切 割技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。與計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)設(shè)備結(jié)合，激光束具有無限的仿形切割能力，切割軌跡修改 方便：通過預(yù)先在汁算機(jī)內(nèi)設(shè)汁，進(jìn)行眾車復(fù)雜零件整張板徘料，可牢邵.車零件 同時(shí)切割，提高效車，節(jié)省材料。激光切割無機(jī)械變形、無刀具磨損，容易實(shí)

10、現(xiàn)自 動(dòng)化生產(chǎn)。激光切割技術(shù)用在零件生產(chǎn)線上，做平板切割等工序，配合其生產(chǎn)產(chǎn)品 的一道工序，可為完成產(chǎn)品零件生產(chǎn)解決加工關(guān)鍵，或提高加工速度。2. 4激光打孔技術(shù)激光打孔技術(shù)具有精度高、通用性強(qiáng)、效率高、成本低和綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著 等優(yōu)點(diǎn)，己成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)Z-O目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國家己將激光深微 孔技術(shù)大規(guī)模地應(yīng)用到航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。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大然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表 的寶石軸承、飛機(jī)葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。目前，激光打孔朝著多 樣化、高速度、孔徑更微小的方向發(fā)展。例如，在飛機(jī)機(jī)翼上打上5萬個(gè)直徑為

11、0 064mm的小孔，可以大大減小氣流對(duì)飛機(jī)的阻力，取得節(jié)袖的效果。2. 5激光標(biāo)記技術(shù)激光標(biāo)記機(jī)的市場是近兒年發(fā)展最快的-項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。激光標(biāo)記是利用高能量密 度的激光對(duì)工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而 留下永久性標(biāo)記的-種技術(shù)。激光標(biāo)記有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，能標(biāo)記各種宇行、圖案、 數(shù)宇以及條形碼，標(biāo)記線寬可小于0.Olmmo ,可深可淺，對(duì)很小零件也可打標(biāo)，這 是其他標(biāo)記方法不能實(shí)現(xiàn)的；激光打的標(biāo)記屬永久性，不像噴墨打印的宇可擦掉；可作防偽標(biāo)記。不易被人假 W：屬不接觸加工，所以對(duì)零件表而沒有損傷；標(biāo)記的宇符清晰，圖形質(zhì)量好：效 率很高，成本低，可對(duì)多種材料進(jìn)行標(biāo)記

12、；由汁算機(jī)操作易于更換標(biāo)記內(nèi)容，也可 以一個(gè)零件一個(gè)標(biāo)記：由于有以上多種特點(diǎn)，所以應(yīng)用越來越廣泛，特別是多種電 子器件、集成電路模塊、汽車零件甚至汽車窗玻璃、導(dǎo)線、接插件、工具、醫(yī)療器 械、精密儀器儀表、線路板、橡膠制品、計(jì)算機(jī)鍵盤、手機(jī)面板、精美禮品、玻璃 生| 口笙笙 巾n口寺寺。2. 6激光熱處理技術(shù)激光熱處理是利用高能激光照射到金屬表層，通過激光和金屬的交互作用達(dá)到改 善金屬表面性能的目的。激光表面熱處理技術(shù)包括激光相變硬化技術(shù)、激光涂覆技 術(shù)、激光合金化技術(shù)、激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)等，這些技術(shù)對(duì)改變材料的機(jī)械性能、耐 熱性和耐腐蝕性等有重要作用。激光相變硬化（即激光淬火）是激光熱處理寧研究

13、 最早、最多、進(jìn)展最快、應(yīng)用最廣的一種新工藝，適用于大多數(shù)材料和不同形狀零 件的不同部位，可提高零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。激光合金化和激光涂覆是利用高 功率激光束快速掃描金屬工件表面，使-種或多種合金元素與工件材料表面-起快 速熔化再凝固，共同形成硬化層。激光表面合金化技術(shù)是材料表面局部改性處理的 新方怯，激光沖擊強(qiáng)化使用脈沖寬度極短的激光照射到材料表面，可以產(chǎn)生高強(qiáng)度 沖擊被，使得金屬材料的機(jī)械性能改善，阻止裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高鋼、鋁、鐵 等合金的強(qiáng)度和硬度，改善其抗疲勞性能。激光熱處理技術(shù)在汽車工業(yè)寧應(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，同吋在航空航天、機(jī)床 行業(yè)

14、和其它機(jī)械行業(yè)也應(yīng)用廣泛。2. 7激光內(nèi)腔加工技術(shù)在光電通訊、制導(dǎo)和雷達(dá)等軍工利醫(yī)療器械上，經(jīng)常有-些高精度的內(nèi)腔形體零 件，這些零件口小型腔大，有的內(nèi)腔形狀還比較復(fù)雜。如果用傳統(tǒng)的工藝方法，將 它-分為二分別進(jìn)行加工，盡管能保證兩體加工精度很高，但是在合二為一的裝配 中，無論什么裝配方法，都避免不了裝配誤差的存在，影響了產(chǎn)品的使用性能，難 以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)汁師的構(gòu)想。伴隨MEMS技術(shù)的發(fā)展，越來越多”口小肚子大”的內(nèi)腔 形體零件需機(jī)械制造業(yè)突破原有的工藝方法去實(shí)現(xiàn)其加工?；卮?，加工復(fù)雜高精度 內(nèi)腔形體難題己成為機(jī)械制造業(yè)刻不容緩亟待解決的間題。借助激光技術(shù)利計(jì)算機(jī) 技術(shù)的發(fā)展，把激光對(duì)透明材料的作用機(jī)理運(yùn)用到內(nèi)腔加工上，使上述間題的解決 成為了現(xiàn)實(shí)。激光在固體材料透明材料內(nèi)部對(duì)材料產(chǎn)生作用，若激光的功辜密度大 于介質(zhì)的破壞值，則在激光作用的很短時(shí)間內(nèi)，強(qiáng)激光的輻射將導(dǎo)致介質(zhì)吸收大量 的激光能量，產(chǎn)生使材料破壞的內(nèi)爆轟，形空隙，達(dá)到體內(nèi)局部切割的作用。由于 切割過程相當(dāng)迅速，聚焦點(diǎn)周圍熱傳遞造成的熱損傷幾乎為零。該方法是非接觸加 工，因而加