激光技術(shù)在機(jī)械五金行業(yè)的應(yīng)用

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

2、 3 項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)開展成熟，應(yīng)用也很廣泛。進(jìn)入20 世紀(jì) 90 年代后期，激光珩磨技術(shù)的出現(xiàn)又將激光微細(xì)加工技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用翻開了嶄新的一頁(yè)。激光加工技術(shù)之所以得到如此廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗c傳統(tǒng)加工技術(shù)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：一是非接觸加工，沒有機(jī)械力；二是可以加工高硬度、高熔點(diǎn)、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(jī)床相結(jié)合，使激光加工具有加工精度高、可控性好、程序簡(jiǎn)單、省料及污染少等特點(diǎn)。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(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)，在工件上形成切縫。激光照射工件外表時(shí)，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(shí)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(hù)鏡頭、冷卻鏡頭。為了提高工件材料吸收系數(shù)，切割前對(duì)工件進(jìn)行黑化處理，最簡(jiǎn)單的方法是涂墨汁。激光切割采用 CO2激光或 YAG 激光器 ，進(jìn)行二維和三維的切割加工 ，具有切割精度高的特點(diǎn)。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(shí) ，激光源為單模振蕩模式 ，可進(jìn)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(shí) ，激光源為多模振蕩模式 ，可進(jìn)行 lmm 寬度的切割 ，但該以功率切割之后會(huì)有少量的污物。對(duì)厚板切割時(shí)需采用輔助氣體配合 ，輔助氣體包括空氣、氧氣和氮?dú)獾?，其中氮?dú)饪梢栽谇懈钸^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(shí)

5、現(xiàn)自動(dòng)化的切割。，激光切割無(wú)需重更換模具 ，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)準(zhǔn)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(qiáng)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(diǎn)。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(duì)焊接強(qiáng)度和外觀效果等質(zhì)量的要求越來(lái)越高，尤其是高附加值且對(duì)焊接質(zhì)量要求極高的部件，可

6、以采用無(wú)需后續(xù)加工或者極少后續(xù)加工的方式來(lái)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(huì)帶來(lái)工件扭曲變形等問題，因此為了彌補(bǔ)工件變形，需要大量的后續(xù)加工手段，從而導(dǎo)致費(fèi)用的上升。而激光焊接具有最小的熱輸入量，因此帶來(lái)極小的熱影響區(qū)，在顯著提高焊接產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)，減少了后續(xù)工作的時(shí)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(lái)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(shí)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(shí)還可以循環(huán)再制造，節(jié)約零件使用本錢，延長(zhǎng)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(gè)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(duì)磨損部位進(jìn)行外表改性與強(qiáng)化，成為工程機(jī)械領(lǐng)域修復(fù)部件、延長(zhǎng)零件使用壽命的重要途徑。這些與低強(qiáng)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(shì)在于節(jié)約昂貴的、具有戰(zhàn)略價(jià)值的合金元素，使得晶

8、粒細(xì)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(shí)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(xì)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(duì)鑄鐵材料來(lái)說(shuō)，工件外表硬度大幅度提高后，硬度可從原來(lái) 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(wú)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(jī)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(shí)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器部件打孔加工 ，打孔效果可實(shí)現(xiàn)三維方向 ，數(shù)量可到達(dá)上千個(gè)?？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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)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(duì)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(duì)工件需要彎曲的部位進(jìn)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(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，是在 20 世紀(jì) 90 年代后期，由德國(guó)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(dòng)機(jī)的柴油消耗量下降 40%，顆粒排放量下降 10%30%，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàng)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(rùn)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(rùn)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(zhǔn)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(wàn)度高溫的作用下 ，無(wú)論材料多么堅(jiān)硬都會(huì)瞬間熔化并蒸發(fā) ，同時(shí)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(shí)現(xiàn)的零件加工。比方對(duì)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(zhǔn)確性高和時(shí)間短的有點(diǎn) ，這樣產(chǎn)品就具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。激光加工在二維平面中具有較強(qiáng)的柔