激光技術(shù)在先進制造業(yè)中的幾例應(yīng)用

1、激光技術(shù)在先進制造業(yè)中的幾例應(yīng)用XXX【摘要】本文綜合介紹了激光快速成型、激光焊接、激光切割、激光打孔等技術(shù) 的原理、特點、應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。借此論述了激光技術(shù)在先進制造業(yè)中的 重要地位。1引言激光具有高亮度性、高方向性、高單色性、高相干性，這些特性是其它普通光源望塵莫及的。1960年 美國休斯實驗室的T.H.Mainman用直徑6mm，長45mm的紅寶石固體工作物質(zhì)，成功地產(chǎn)生了波長為 0.6493 Mm的脈沖激光這是世界第一臺激光發(fā)生器，它受到科研領(lǐng)域的高度重視。激光技術(shù) 推動了許多領(lǐng)域的迅速發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越廣，尤其在加工領(lǐng)域中的應(yīng)用。激光加工是激 光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域之一，現(xiàn)

2、在已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。激光加工系指激光 束作用于物體的表面而引起物體形狀的改變或物體性能的改變的加工過程。激光加工已成為 一種新型的高能束流激光加工技術(shù)，廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造 等國民經(jīng)濟重要部門，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化、無污染、減少材料消耗等起 到愈來愈重要的作用，為材料加工工藝提供，是當(dāng)代具有代表性的先進制造技術(shù)。從激光加 工技術(shù)在制造領(lǐng)域中取得的經(jīng)驗來看，激光加工的潛力是巨大的。2激光快速成型2.1激光快速成型技術(shù)簡介80年代后期發(fā)展起來的快速成型技術(shù)(RPT，Rapid Prototyping Technology)是基于分 層技術(shù)、堆積

3、成型直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的先進制造成組技術(shù)總稱。RP技 術(shù)不同于傳統(tǒng)的去除成型、拼合成型及受迫成型等加工方法，它是利用材料累加法直接制造 塑料、陶瓷、金屬及各種復(fù)合材料零件。激光快速成型技術(shù)，以激光作為加工能源的激光快速成型是快速成型技術(shù)的重要組成部 分，它集成了 CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料科學(xué)等現(xiàn)代科技成果。激光快速成型 (Laser Rapid Prototyping,LRP)原理是用CAD生成的三維實體模型，通過分層軟件分層，每 個薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動控制激光光束，掃射液體，粉末或薄片材料，加工出要求形狀 的薄層，逐層累積形成實體模型。快速制造出的模型或樣

4、件可直接用于新產(chǎn)品設(shè)計驗證、功 能驗證、工程分析、市場訂貨及企業(yè)決策等，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期,降低研發(fā)成本，提高企業(yè) 競爭力。以此為基礎(chǔ)進一步發(fā)展的快速模具工裝制造(Quick Tooling)技術(shù),快速精鑄技術(shù) (Quick Casting),快速金屬粉末燒結(jié)技術(shù)(Quick Powder Sintering)等，可實現(xiàn)零件的快速 成品。2.2激光快速成型技術(shù)主要特點制造速度快、成本低,節(jié)省時間和節(jié)約成本，為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力，而且可實 現(xiàn)自由制造(Free Form Fabrication),產(chǎn)品制造過程以及產(chǎn)品造價幾乎與產(chǎn)品的批量和復(fù)雜 性無關(guān)。采用非接觸加工的方式，沒有傳統(tǒng)加工的殘

5、余應(yīng)力問題，沒有工具更換和磨損之類的 問題,無切割、噪音和振動等,有利于環(huán)保?？蓪崿F(xiàn)快速鑄造、快速模具制造，特別適合于新品開發(fā)和單件零件生產(chǎn)。2.3研究現(xiàn)狀美國3DSystems公司1988年生產(chǎn)出世界上第一臺SLA250型光固化快速造型機，開創(chuàng)了 LRP技術(shù)迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用的新紀(jì)元。美國在設(shè)備研制、生產(chǎn)銷售方面占全球主導(dǎo)地位 其發(fā)展水平及趨勢基本代表了世界的發(fā)展水平及趨勢。歐洲和日本也不甘落后，紛紛進行相 關(guān)技術(shù)研究和設(shè)備研發(fā)。香港和臺灣比內(nèi)地起步早，臺灣大學(xué)擁有LOM設(shè)備，臺灣各單位及軍 方安裝多臺進口 SL系列設(shè)備。香港生產(chǎn)力促進局和香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、香港城 市大學(xué)等都擁有R

6、P設(shè)備,其重點是有關(guān)技術(shù)的應(yīng)用與推廣。國內(nèi)自20世紀(jì)90年代初開始進行研究，現(xiàn)有西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、 北京隆源公司多所研究單位自主開發(fā)了成型設(shè)備并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其中，西安交大生產(chǎn)的紫外 光CPS系列光固化成型系統(tǒng)快速成型機等新技術(shù)，引起了國內(nèi)外的高度重視;華中科技大學(xué) 研究LOM、SLS工藝，推出了系列成型機和成型材料;清華大學(xué)主要研究RP方面的現(xiàn)代成型學(xué) 理論，并開展了基于SL工藝的金屬模具的研究;北京隆源公司主要研究SLS系列成型設(shè)備和 配套材料并承接相關(guān)制造工程項目。2.4發(fā)展趨勢LRP技術(shù)正在發(fā)生巨大的變化，主要體現(xiàn)在新技術(shù)、新工藝及信息網(wǎng)絡(luò)化等方面,其未來 發(fā)展方向包

7、括：研究新的成型工藝方法，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，拓寬激光快速成型技術(shù)的應(yīng)用，開展新的成 型工藝的探索。開發(fā)新設(shè)備和開發(fā)新材料。LRP設(shè)備研制向兩個方向發(fā)展：自動化的桌面小型系統(tǒng)，主 要用于原型制造;工業(yè)化大型系統(tǒng)，用于制造高精度、高性能零件。成型材料的研發(fā)及應(yīng)用是 目前LRP技術(shù)的研究重點之一。發(fā)展全新材料，特別是復(fù)合材料，如納米材料、非均質(zhì)材料、 功能材料是當(dāng)前的研究熱點。激光快速成型技術(shù)是多學(xué)科交叉融合一體化的技術(shù)系統(tǒng)，正在不斷研究開發(fā)和推廣應(yīng)用 中，與生物科學(xué)交叉的生物制造、與信息科學(xué)交叉的遠程制造、與納米科學(xué)交叉的微機電系 統(tǒng)等為它集成制造提供了廣闊的發(fā)展空間。隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展它

8、對制造業(yè)的 作用日益重要并趨向更高的綜合。3激光焊接3.1激光焊接技術(shù)簡介激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，激光焊接是激光 加工技術(shù)應(yīng)用的重要內(nèi)容，更是21世紀(jì)最受矚目、最有發(fā)展前景的焊接技術(shù)。激光焊接是利用激光的輻射能量來實現(xiàn)有效焊接的工藝。其工作原理是：通過特定的方式 來激勵激光活性介質(zhì)(如CO2和其他氣體的混合氣體、YAG釔鋁石榴石晶體等)，使其在諧振 腔中往復(fù)振蕩，從而形成受激輻射光束，當(dāng)光束與工件接觸時，其能量被工件吸收，在溫度 達到材料熔點時便可進行焊接。激光焊接可分為熱傳導(dǎo)焊和深熔焊，前者的熱量通過熱傳遞向工件內(nèi)部擴散，只在焊縫表 面產(chǎn)生熔化現(xiàn)象，工

9、件內(nèi)部沒有完全熔透，基本不產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，多用于低速薄壁材料的焊 接；后者但完全熔透材料，還使材料汽化，形成大量等離子體。由于熱量較大，熔池前端會 出現(xiàn)匙孔現(xiàn)象。深熔焊能夠徹底焊透工件，且輸入能量大、焊接速度快，是目前使用最廣泛 的激光焊接模式。3.2激光焊接特點激光焊接既有優(yōu)點也有缺點。優(yōu)點：（1）采用激光焊接可以獲得高質(zhì)量的接頭強度和較大的深寬比，且焊接速度比較快。（2）由于激光焊接不需真空環(huán)境，因此通過透鏡及光纖，可以實現(xiàn)遠程控制與自動化生 產(chǎn)。（3）激光具有較大的功率密度，對難焊材料如鈦、石英等有較好的焊接效果，并能對不 同性能材料施焊。（4）由于激光器產(chǎn)生的聚焦光斑面積較小，其作用在焊

10、縫周圍的熱影響區(qū)也比普通焊接 工藝的小得多，且激光焊接一般不需填充金屬，因此焊縫表面連續(xù)均勻、成形美觀，無氣孔、 裂紋等表面缺陷，非常適合于對焊縫外形要求嚴(yán)格的場合。缺點：（1）激光器及焊接系統(tǒng)各配件的價格較為昂貴，因此初期投資及維護成本比傳統(tǒng)焊接工藝 高，經(jīng)濟效益較差。（2）由于固體材料對激光的吸收率較低，特別是在出現(xiàn)等離子體后（等離子體對激光具有 吸收作用）,因此激光焊接的轉(zhuǎn)化效率普遍較低（通常為5%30%）。（3）由于激光焊接的聚焦光斑較小，對工件接頭的裝備精度要求較高，很小的裝備偏差就 會產(chǎn)生較大的加工誤差。3.3激光焊接的研究現(xiàn)狀現(xiàn)代化的激光焊接技術(shù)主要包括激光-電弧復(fù)合焊接、激光焊

11、接多焦點技術(shù)與旋轉(zhuǎn)焦點技 術(shù)與激光填絲焊。復(fù)合焊接的工作原理是：將電弧焊接和激光焊接同時施加于工件上，使整個焊接過程既具 有激光焊接高能束的優(yōu)點，又有電弧焊接適用性強的優(yōu)勢；多焦點技術(shù)的基本原理是采用 不同的透鏡和反射鏡的組合，使激光器發(fā)射出的一道光束分解為多道（或者直接采用多個 發(fā)射器的簡單方法實現(xiàn)）。這樣，在焊縫表面上將形成多個焦點，目前最常用的是雙光束激 光。目前最常用的是雙光束激光（即雙焦點）。采用這種技術(shù)可以避免了咬邊等焊接缺陷。 旋轉(zhuǎn)焦點技術(shù)的基本原理是:通過驅(qū)動透鏡或反射鏡做有規(guī)律的運動，使焦點在焊縫上作旋 轉(zhuǎn)式前進，這樣焊縫的寬度就可以擴大到激光束旋轉(zhuǎn)圓直徑的長度上，大大降低激

12、光焊接對 裝備精度的要求, 并且可以避免產(chǎn)生大量的氣孔。激光填絲焊與普通填絲焊焊接工藝類似。在激光照射焊縫的同時，輸入特定金屬絲。采用 該方法的好處是：解決了對工件裝夾要求嚴(yán)格的問題，可以實現(xiàn)用小功率激光器焊接厚大的 零件。更重要的是，適當(dāng)?shù)剡x擇填絲種類，能夠改善焊縫質(zhì)量，獲得硬度和塑性較好的焊接 接頭。3.4發(fā)展趨勢從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀看，新型激光器的研究與完善、焊接過程的有效控制和焊縫缺陷的 實時監(jiān)測是未來激光焊接領(lǐng)域的研究重點。其中，激光器的研發(fā)將集中在輸出功率和電-光 轉(zhuǎn)化效率的提高上，針對激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點。對激光器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計也十分必要。由 于激光焊接系統(tǒng)涉及到大量控制參數(shù)（如激

13、光功率、光束模式、聚焦鏡焦距、離焦量、激光 照射角等）。因此準(zhǔn)確地選擇控制參數(shù)是提高激光焊接效率和質(zhì)量的關(guān)鍵，特別是將各種焊 接效應(yīng)（如等離子體效應(yīng)、匙孔效應(yīng)等）控制在理想范圍內(nèi)將成為未來的研究重點。必要時 應(yīng)建立完整的工藝數(shù)據(jù)庫。至于焊接過程的實時監(jiān)控將集中在多種傳感技術(shù)相融合的監(jiān)測 技術(shù)上，如聲、光信號的有效結(jié)合。另外，視覺傳感技術(shù)也將成為未來激光焊接過程在線監(jiān) 測的研究重點。因為焊接過程中的大量信息均可通過機器視覺進行有效識別。先進激光焊接 技術(shù)的發(fā)展，將偏向于激光復(fù)合焊接技術(shù)與多焦點焊接技術(shù)的研發(fā)上。隨著激光焊接技術(shù)在 各加工領(lǐng)域的逐步推廣和普及，激光焊接將成為未來焊接技術(shù)的主要方式。

14、4激光切割4.1激光切割簡介激光切割是利用聚集的高功率密度激光束照射工件，在超過激光閾值的激光功率密度的 前提下，激光束的能量以及活性氣體輔助切割過程所附加的化學(xué)反應(yīng)熱能全部被材料吸收， 由此引起激光作用點的溫度急劇上升，達到沸點后材料開始?xì)饣⑿纬煽锥?，隨著光束與 工件的相對運動，最終使材料形成切縫，切縫處的熔渣被一定的輔助氣體吹除激光切割的斷 面非常光滑，適合后期焊接，而等離子切割的斷面往往需要打磨才能進行焊接。4.2激光切割特點切割質(zhì)量好。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能夠獲得較 好的切割質(zhì)量。切割效率高由于激光的傳輸特性，激光切割機上一般配有多臺數(shù)控工作臺，整個

15、切割 過程可以全部實現(xiàn)數(shù)控。操作時，只需改變數(shù)控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可 進行二維切割，又可實現(xiàn)三維切割。 切割速度快，用功率為1200W的激光切割2mm厚的低碳鋼板，切割速度可達600cm/min； 切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達1200cm/min。材料在激光切割時不需要裝夾固 定，既可節(jié)省工裝夾具，又節(jié)省了上、下料的輔助時間。非接觸式切割，激光切割時割炬與工件無接觸，不存在工具的磨損。加工不同形狀的 零件，不需要更換“刀具”，只需改變激光器的輸出參數(shù)。激光切割過程噪聲低，振動小， 無污染。切割材料的種類多，與氧乙炔切割和等離子切割比較，激光切割材料的種類多，包括

16、金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復(fù)合材料、皮革、木材及纖維等。但是對于不同的材料， 由于自身的熱物理性能及對激光的吸收率不同，表現(xiàn)出不同的激光切割適應(yīng)性。缺點激光切割由于受激光器功率和設(shè)備體積的限制，激光切割只能切割中、小厚度的 板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。激光切割設(shè)備費用高，一次性 投資大。4.3激光切割研究現(xiàn)狀激光切割的研究已進行三十年，由于國外的激光切割工藝比較成熟，目前的研究領(lǐng)域主要 集中在數(shù)字模型對切割過程的模擬以及特殊情況下的激光切割。目前，在我們國內(nèi)主要研究 方向在鋼板的激光切割工藝方面，少數(shù)涉及到有色金屬的切割工藝。4.4激光切割發(fā)展趨勢鑒于現(xiàn)今的研究對

17、三維激光切割研究較少，缺乏簡單、有效和定量的在線質(zhì)量監(jiān)控方法， 激光切割過程模擬較為困難，激光切割機理的研究不夠深入。以后的研究或?qū)碾x線/在線 單參量激光切割質(zhì)量監(jiān)控轉(zhuǎn)向多參量在線激光切割質(zhì)量監(jiān)控的研究方向;從傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬 轉(zhuǎn)變到動態(tài)模擬；在研究激光一材料一輔助氣體三者間的交互作用時除繼續(xù)研究二維激光 切割機理外，著手研究三維激光切割研究的機理。5.激光打孔5.1激光打孔技術(shù)簡介激光打孔技術(shù)是將微細(xì)的高能激光束照射到工件上，由于這種高強熱源對材料加熱的結(jié)果, 可使得照射區(qū)內(nèi)的溫度瞬時上升到一萬度以上，從而引起被照射區(qū)內(nèi)的材料瞬時熔化并大量 汽化蒸發(fā),氣壓急劇上升，高速氣流猛烈向外噴射，在照

18、射點上立即形成一個小凹坑。隨著激光 能量的不斷輸入，凹坑內(nèi)的汽化程度加劇，蒸汽量急劇增多,氣壓驟然上升，對凹坑的四周產(chǎn)生 強烈的沖擊波作用，致使高壓蒸汽帶著溶液，從凹坑底部高速向外噴射，火花飛濺，如同產(chǎn)生一 種局部微型爆炸那樣，在工件上迅速打出一個具有一定錐度的小孔。5.2激光打孔技術(shù)特點（1）輸出功率達到500w，激光能量不穩(wěn)定度:2%，激光的發(fā)散角：3.5mrad。（2）采用兩種激光打孔方法一一旋切打孔的方式和沖擊打孔的方式針對這兩種方法研制 了一種新型的激光打孔裝置，并通過理論分析了沖擊打孔和旋切打孔方法的特點。（3）采用不同的激光參數(shù)在研制的激光打孔裝置上對低碳鋼和高溫合金進行了激光打

19、孔工 藝的研究，對激光參數(shù)以及輔助氣體對打孔的影響進行了分析，并采用自由脈沖進行了旋切 打孔的研究，通過分析得出旋切打孔可以得到小錐度、再鑄層少的孔。5.3激光打孔技術(shù)研究現(xiàn)狀激光打孔是目前小孔加工中不可缺少而且應(yīng)用廣泛的激光加工方法之一。近年來激光 微孔加工技術(shù)的發(fā)展更加快速，打孔效率不斷提高，并且對打孔過程進行了深入細(xì)致的研究。 2005年奧地利的塔恩紙業(yè)公司在其水松紙激光打孔機上裝備有兩個4000瓦的激光源，一分 鐘打孔數(shù)量達到6000萬個。2006年德國科學(xué)K.walther等通過將兩脈沖激光進行疊加對不 銹鋼進行打孔，進一步提高了打孔效率。2001年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的吳氣虹,馬玉蓉

20、等人發(fā) 明了一種激光打孔裝置，它包括長脈沖的長波長激光器和一臺短脈沖的短波長激光器其輸 出的激光軸線在同一水平面相互垂直;兩束激光交匯處設(shè)置有一個與兩束光軸線均成45 透鏡/反射平面鏡，在所述平面境輸出激光的光路上設(shè)有一能沿光路方向移動位置的聚焦透 鏡。進行打孔加工時，每個孔的加工均分兩步,即先用長波長激光快速穿孔，再用短波長擴出 成形孔。其在有效保證質(zhì)量的情況下，提高了打孔效率，易于工業(yè)應(yīng)用。而且，隨著飛秒激光加工技術(shù)研究的深入和發(fā)展，飛秒激光打孔的優(yōu)勢更加突出。在飛秒 激光加工中,飛秒激光脈沖在等離子體膨脹前,已全部注入到了固體表面，并且沒有熱傳導(dǎo)造 成的激光能量的損失，可以將照射區(qū)的溫度迅速提升到升華點以上。再由于每個飛秒激光脈 沖的能量非常小,每個脈沖所汽化的物質(zhì)也是極少的。所以飛秒激光加工很精細(xì)，其熱影響區(qū) 非常小，沒有熔化及再凝固痕跡，呈現(xiàn)銳利的加工邊緣,因此加工精度很高。5.4激光打孔技術(shù)發(fā)展趨勢微孔激光加工技術(shù)經(jīng)過了二十幾年的發(fā)展己逐漸成熟起來并被越來越多的人們所認(rèn)識、 接受和采用。隨著科技和社會生產(chǎn)的迅速發(fā)展，一方面給激光打孔提出了各種各樣更高的要 求;另一方面使得生產(chǎn)高功率、高質(zhì)量的激光打孔機成為可能。這為微孔激光加工技術(shù)的不 斷發(fā)展提出