先進制造業(yè)中的激光加工技術

1、先進制造業(yè)中的激光加工技術激光技術是60年代初發(fā)展起來的影響了人類生活方方面面的一門新興科學，由于激光具有強度高、單色性好、相干性好和方向性好等特點，在先進制造技術領域得到了廣泛的應用，大大推動了制造業(yè)的進步。在制造業(yè)中廣泛應用了激光硯覺三維測量、激光層析成像、激光無損檢測技術和激光振動測量。激光快速成型技術、激光焊接技術、激光切割技術、激光打孔技術、激光標記技術、激光熱處理技術和激光內(nèi)腔加工技術在制造業(yè)中的應用，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)辜、減少材料消耗有重要意義，也為實現(xiàn)自動化、無污染制造提供了技術基礎。激光加工是利用光的能量經(jīng)過透鏡聚焦后在焦點上達到很高的能量密度，靠光熱效應來加工的。

2、 激光加工不需要工具、加工速度快、表面變形小，可加工各種材料。用激光束 激光技工技術對材料進行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。 某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級的物質(zhì)，在外來光子的激發(fā)下會吸收光能，使處于高能級原子的數(shù)目大于低能級原子的數(shù)目粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，若有一束光照射，光子的能量等于這兩個能相對應的差，這是就會產(chǎn)生受激輻射，輸出大量的光能。優(yōu)點1、激光功率密度大，工件吸收激光后溫度迅速升高而熔化或汽化，即使熔點高、硬度大和質(zhì)脆的材料(如陶瓷、金剛石等 也可用激光加工；2、激光頭與工件不接觸，不存在加工工具磨損問題；3、工件不受應力，不易污染；4、可以對運動的工件或密封在玻璃殼內(nèi)的材料加工；5、激

3、光束的發(fā)散角可小于1毫弧，光斑直徑可小到微米量級, 作用時間可以短到納秒和皮秒, 同時, 大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達千瓦至十千瓦量級，因而激光既適于精密微細加工, 又適于大型材料加工；激光切割設備6、激光束容易控制, 易于與精密機械、精密測量技術和電子計算機相結(jié)激光切割設備合，實現(xiàn)加工的高度自動化和達到很高的加工精度；7、在惡劣環(huán)境或其他人難以接近的地方，可用機器人進行激光加工1 激光測試技術在先進制造業(yè)中的應用制造生產(chǎn)中的許多信息需要通過檢測來提供，生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種故障要通過檢測去發(fā)現(xiàn)和防上，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)代化與自動化，更沒有高效率和高質(zhì)量。為適應

4、柔性自動化的需要，機器人必須有硯覺系統(tǒng)，能對裝配件的形體與姿態(tài)進行識別，應裝有位置與觸覺傳感器，進行精確定位與抓握力的控制，自動導引車也應有視覺或聲發(fā)射傳感器，以發(fā)現(xiàn)行進中可能有的障礙物等。1 激光視覺三維測量技術隨汁算機技術的日益完善，集信息處理為一體的激光三維硯覺系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展和應用。工業(yè)硯覺測量技術在機械制造業(yè)寧的應用主要是視覺檢測和視覺引導。視覺檢測主要是使用圖像或圖像的一部分與設定的標準進行比較、判別，以達到檢測、分析測試結(jié)果。硯覺引導是運用圖像處理的方怯來引導自動導向車等的行走路線，找到最佳路徑，克服行走障礙，實現(xiàn)準確的、快速的裝配、上料等。 廣泛應用的光點怯硯覺識別系統(tǒng)和片

5、光怯硯覺識別系統(tǒng)，能對三維零件和平面圖形進行正確的識別和分類。提高測量精度和進行快速測量，對大型復雜曲面的宏觀形狀測量具有廣闊的前景，三維測量技術解決了對氣輪機葉片等大型工件的曲面測量難題，有助于對產(chǎn)品進行設計仿真、模態(tài)分析和性能模擬，提高產(chǎn)品的設汁和制造質(zhì)量。三維測量技術在機器識別、實物模型、工業(yè)檢測、生物醫(yī)學等領域的應用前景越來越廣闊。12 激光層析成像技術通過激光掃描將激光源發(fā)出的激光照射到物體或流體的截面，探測陣列接受其透射光及散射光后，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)宇信號，獲得被測物體的數(shù)據(jù)，然后再將所測得的數(shù)宇信號進行處理，得到所測物體的每一像素點的參數(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

6、層析成像技術在先進制造業(yè)中的逆向工程，流體機械寧流場的溫度、密度、壓力和速度分析寧有很重要的應用。13 激光無損檢測技術激光技術應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。激光全息干涉技術能對金屬表面缺陷進行檢測，壓力波檢測怯是利用激光作用在材料上所產(chǎn)生的應力對材料的內(nèi)部缺陷進行檢測，激光超生檢測法是利用超聲到達被測物體表面或沿表面?zhèn)鞑r，物體表面形狀或反射率的改變，將引起反射光的位置、強度對E 位和頻率的變化來實現(xiàn)的。14 機械振動的激光測量技術激光技術用于機械振動測量的方怯有邁克爾遜光纖干涉測量、激光衍射測量、全息術干涉法測量、多普勒測量技術和聲光調(diào)制雙頻外差測試儀

7、等。全息術干涉怯測量和多普勒測量技術為非接觸式測量，對被測物沒有影響，通過對全息干涉條紋進行解調(diào)汁算，求出振動機件各向的位移值、振動頻辜，發(fā)現(xiàn)振源位置。通過對振動的激光測量與振動的特性分析，制造出輕量化、低噪聲、低袖耗、高性能的經(jīng)濟型、環(huán)保型設備是現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展方向和目標。2 激光加工技術在先進制造業(yè)中的應用由于現(xiàn)代機械制造業(yè)的發(fā)展，機械制造己包含著一種新的意義。它己經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的機械制造。它是集機械、電子、光學、信息科學、材料科學、生物科學、激光學、管理學等最新成就為一體的一個新興技術與新興工業(yè)。21 激光快速成型技術傳統(tǒng)的工業(yè)成型技術大部分是遵循“去除法”的，如車削、銑削、鉆削、磨削

8、、刨削；另外一些是采用模具進行成形，如鑄造、沖壓。激光快速成形技術集成了激光技術、CAD CAM 技術和材料技術的最新成果，根據(jù)汁算機設汁出的零件的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、粉末材料選擇性燒結(jié)。激光快速成型技術在模具制造寧的應用最為廣泛，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。用快速成形技術制作模具，既避開了復雜的機械切削加工，又可以保證模具的精度，還可以大大縮短制模時間、節(jié)省制模費用，對于形狀復雜的

9、精度模具，其優(yōu)點尤為突出。該技術己在航空航天、電子、汽車、家電等工業(yè)領域得到廣泛應用。但是，目前還存在著模具壽命相對較短的缺點，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)。22 激光焊接技術激光焊接是目前工業(yè)激光應用的第二大領域。激光焊接是把激光聚焦成很細的高能量密度光束照射到工件上，使工件受熱熔化，然后冷卻得到焊繞。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，在機械性能，抗蝕性能和電磁學性能上優(yōu)于常規(guī)焊接方法。激光焊接技術具有鉚他序化效應，能純凈焊

10、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，對高熔點、高導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行多點或多組件焊接越來越普及。在遠離裝配區(qū)的位置裝置一臺中心激光器，由技工操作將激光能量用光纖傳輸?shù)叫枰庸さ牡攸c從而最大限度的利用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行遠距高的焊接將大大促進高功率YAG 激光焊的發(fā)展23 激光切割技術激光切割系統(tǒng)一直是激光加工應用最廣泛的一項技術，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

11、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，后者是激光切割技術的重要應用領域。 與計算機控制的自動設備結(jié)合，激光束具有無限的仿形切割能力，切割軌跡修改方便；通過預先在汁算機內(nèi)設汁，進行眾車復雜零件整張板徘料，可牢邵車零件同時切割，提高效車，節(jié)省材料。激光切割無機械變形、無刀具磨損，容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。激光切割技術用在零件生產(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)解決加工關鍵，或提高加工速度。24 激光打孔技術激光打孔技術具有精度高、通用性強、效率高、成本低和綜合技術經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點，己成為現(xiàn)代制造領域的關鍵技術之一。

12、目前，工業(yè)發(fā)達國家己將激光深微孔技術大規(guī)模地應用到航空航天、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，在飛機機翼上打上 5萬個直徑為 0 064mm的小孔，可以大大減小氣流對飛機的阻力，取得節(jié)袖的效果。25 激光標記技術激光標記機的市場是近兒年發(fā)展最快的一項應用技術。激光標記是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種技術。激光標記有許多獨特的優(yōu)點，

13、能標記各種宇行、圖案、數(shù)宇以及條形碼，標記線寬可小于0.0lmm 。，可深可淺，對很小零件也可打標，這是其他標記方法不能實現(xiàn)的；激光打的標記屬永久性，不像噴墨打印的宇可擦掉；可作防偽標記。不易被人假冒；屬不接觸加工，所以對零件表面沒有損傷；標記的宇符清晰，圖形質(zhì)量好；效率很高，成本低，可對多種材料進行標記；由汁算機操作易于更換標記內(nèi)容，也可以一個零件一個標記；由于有以上多種特點，所以應用越來越廣泛，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、計算機鍵盤、手機面板、精美禮品、玻璃制品等等。26 激光熱處理技術激光熱處理是

14、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到改善金屬表面性能的目的。激光表面熱處理技術包括激光相變硬化技術、激光涂覆技術、激光合金化技術、激光沖擊強化技術等，這些技術對改變材料的機械性能、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最早、最多、進展最快、應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，使一種或多種合金元素與工件材料表面一起快速熔化再凝固，共同形成硬化層。激光表面合金化技術是材料表面局部改性處理的新方怯，激光沖擊強化使用脈沖寬度極短的激光

15、照射到材料表面，可以產(chǎn)生高強度沖擊被，使得金屬材料的機械性能改善，阻止裂紋的產(chǎn)生和擴展，提高鋼、鋁、鐵等合金的強度和硬度，改善其抗疲勞性能。激光熱處理技術在汽車工業(yè)寧應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、機床行業(yè)和其它機械行業(yè)也應用廣泛。27 激光內(nèi)腔加工技術在光電通訊、制導和雷達等軍工和醫(yī)療器械上，經(jīng)常有一些高精度的內(nèi)腔形體零件，這些零件口小型腔大，有的內(nèi)腔形狀還比較復雜。如果用傳統(tǒng)的工藝方法，將它一分為二分別進行加工，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，難以實現(xiàn)產(chǎn)品設汁

16、師的構(gòu)想。伴隨MEMS 技術的發(fā)展，越來越多”口小肚子大”的內(nèi)腔形體零件需機械制造業(yè)突破原有的工藝方法去實現(xiàn)其加工?；卮?，加工復雜高精度內(nèi)腔形體難題己成為機械制造業(yè)刻不容緩亟待解決的間題。借助激光技術和計算機技術的發(fā)展，把激光對透明材料的作用機理運用到內(nèi)腔加工上，使上述間題的解決成為了現(xiàn)實。激光在固體材料透明材料內(nèi)部對材料產(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間內(nèi)，強激光的輻射將導致介質(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，達到體內(nèi)局部切割的作用。由于切割過程相當迅速，聚焦點周圍熱傳遞造成的熱損傷幾乎為零。該方法是非接觸加工，因而加工過程無變形，目無噪聲

17、和化學污染。3 結(jié)束語激光加工、激光切割技術用于再制造業(yè)和應用于其他制造業(yè)一樣，有其不可替代的優(yōu)點，并優(yōu)于其它加工技術。激光加工用于再制造業(yè)是由相變硬化發(fā)展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂層發(fā)展到復合涂層及陶瓷涂層，從而使得激光表面加工技術成為再制造的一項重要手段。它主要是采用5KW10KWCO2高功率激光器及其系統(tǒng)。 與國際上激光加工系統(tǒng)相比，我國的激光加工系統(tǒng)差距甚大，僅占全球銷售額的2%左右。主要表現(xiàn)為：高檔激光加工系統(tǒng)很少，甚至沒有；主力激光器不過關；微細激光加工裝備缺口較大；而這些領域我國的生產(chǎn) 加工企業(yè)正在積蓄力量穩(wěn)步進入，國內(nèi)應用市場有很大發(fā)展空間。預測今后2-3年內(nèi)，我國激光加工銷售額將會由2004年的15億人民幣上升翻一倍，也就是說會達到30億元產(chǎn)值。 國內(nèi)各類制造