激光技术在材料加工领域的发展及应用

第38卷第1期2010年3月

稀有金属与硬质合金

Rar e M etals and Cemented Carbides

Vo l.38 .1

M ar. 2010

专题论述

激光技术在材料加工领域的发展及应用

邱星武1,2

(1.凌源钢铁集团有限责任公司,辽宁凌源122504;2.辽宁工程技术大学材料科学与工程学院,辽宁阜新123000)

摘 要:概要介绍了激光技术的主要特点及其在打孔、切割、焊接等材料加工方面的应用,以及激光表面改性、激光新材料制备等新技术,并对激光技术的近期发展进行了展望。

关键词:激光技术;材料加工;发展;应用

中图分类号:T G156.99 文献标识码:A 文章编号:1004-0536(2010)01-0060-04

Development and Application of Laser T echnology in the Field of

M aterial Processing

QIU Xing-wu1,2

(1.Lingy uan Iro n&Steel Gro up Co.,Ltd,Ling yuan122504,China;

2.Scho ol o f Materials Science and Eng ineer ing,Liaoning T echnical University,Fuxin123000,China) Abstract:Brief description is m ade of the m ain features and applications of laser technolog y in the field of material pro cessing in respect o f perforing,cutting and w elding.And the laser surface modification and la ser new mater ial prepar ation is also introduced.Its pro spect for dev elo pment in the near future is pointed out.

Keywords:laser technolo gy;material processing;developm ent;application;sintering

1 激光加工技术的特点和应用现状

激光是20世纪人类的四大发明之一,作为高新技术的重要组成部分,是20世纪科学技术发展的重要标志和现代信息社会光电子产业的重要支柱。人们认为21世纪已进入光电子时代,作为能量光电子的激光技术的进一步广泛应用,将极大改变人类的生产和生活。激光加工因实现了光、机、电技术相结合,故是一种先进制造技术,目前正处于向传统制造技术工艺过程积极渗透的阶段[1,2],如已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门,且对提高产品质量、劳动生产率和自动化,减少材料消耗,实现零污染等起到愈来愈重要的作用。

1.1 激光加工技术的主要特点

采用激光进行材料加工与常规热加工相比,具有如下主要特点[3,4]:

(1)激光加工为无接触加工,且激光束的能量高及移动速度可调,可以实现多种加工;

(2)激光可对多种金属、非金属进行加工,特别是可加工高硬度、高脆性材料;

(3)激光加工过程中无!刀具∀磨损,无!切削力∀作用于工件;

(4)激光加工过程中,激光能量密度高、加工速度快,且系局部加工,故对非加工表面没有影响或影响极小,同时其热影响区小、工件热变形小、后续加工量小;

(5)激光束易于导向、聚焦实现各方向的变换,极易与数控系统配合对复杂工件进行加工,是一种极为灵活的加工方法;

收稿日期:2009-03-18;修回日期:2009-08-14

作者简介:邱星武(1982-),男,硕士研究生,主要从事材料表面技术研究,fallen rain922@

第1期 邱星武:激光技术在材料加工领域的发展及应用

(6)可透过透明介质对密闭容器内的工件进行加工;

(7)生产率高,加工质量可靠,经济效益和社会效益好。

1.2 激光加工技术的应用概况

德国为了推广激光加工技术,除了建立9个国家级激光中心外,还建立了大量的激光加工站;同时在大、中、小型企业积极建立激光加工生产线[5],如大众汽车厂建立了齿轮激光加工生产线,奔驰汽车厂共有的18个厂房中有8个厂房安装了激光加工生产线。

美国是世界上最早建立激光加工站的国家, 1996年的统计结果表明,其激光加工站的年收入已逾80亿美元,且加工站(jop shop)数量已超过1765家,这对于在美国推广激光加工技术起着重要的作用[6]。激光切割和焊接等在日本电子、电机、汽车、车辆零部件、OA机器等小件、大批量生产中也得到了迅速发展[7]。

我国于20世纪90年代初,在武汉建立了国家级的激光加工工程研究中心,以期达到在全国起到示范和推广的目的[8]。北京、上海等地与国家部委联合建立了激光加工工程研究中心。此外,许多地方政府以及众多科研机构和高校也建立了激光加工研究中心来进行激光加工技术研究和推广,并取得了比较满意的效果。例如,天津冷轧薄板厂通过采用激光毛化等先进技术,使面临倒闭的企业起死回生,仅1995年就生产了价值6亿元的激光毛化钢板,出口创汇数千万美元[9];又如西安内燃机配件厂建立了12条缸套激光热处理生产线,将缸套寿命提高了1~3倍,并已在全国范围推广[10]。因此,发展激光产业将带动传统工业的改造和发展。然而,我国目前还只有130~140家类似国外的激光加工站,因此很有必要加大推广力度。

总体而言,激光加工技术在20世纪激光问世不久就受到人们的重视,经过40多年的发展,现已成为先进制造技术的重要组成部分,如在美国、欧洲和日本,高功率激光切割机的装机量都超过了一万台,德国大众汽车厂用于车身制造的激光机械手多达475台,我国长江实业公司的IC封装生产线上也装备了近百台激光标记机,制造业的需求使得激光加工技术的市场始终保持着强劲的上升势头[11-13]。全球激光加工设备市场近年持续增长,虽2000年起受经济萧条的影响,增长速度有所减缓,其后随着世界经济复苏,于2004年又迅速回升。我国国产激光加工设备的销售额随国民经济的发展增长更快,尤其是从2000年开始进入高速发展时期,到2004年已超过了15亿元人民币,但仍只占全球销售额的5%,这对一个制造大国来说是不相称的,必须大力发展先进的激光加工技术,改造传统的制造工艺,提升我国的制造水平,以力争成为制造强国。

2 激光技术在材料加工领域中的主要

应用

2.1 激光打孔和切割

由于激光可以通过聚焦而获得高密度能量(106 ~108J/cm2),瞬间可使任何固体材料熔化甚至蒸发,因此从理论上说可以用来加工任何种类的固体材料。事实上,激光一经发明,人们首先想到用其来对宝石这类采用常规方法难以加工的材料进行孔加工。目前,激光已经广泛用于各类材料的孔加工和切割,如进行木模板的激光切割和石油管道的激光切缝等。

2.2 激光焊接

激光焊接与常规焊接方法相比,具有如下一系列优点[14]:利用激光的高密度能量,可对高熔点、难熔金属或两种不同金属材料进行焊接,也可对非金属材料进行焊接(如玻璃的焊接);加热速度快,作用时间短,热影响区小,热变形可以忽略;属于非接触焊接,无机械应力和机械变形;激光焊接装置容易与计算机联机;可在大气中焊接,无污染等。因此,激光焊接在工业上获得广泛应用。

2.3 激光表面改性技术

激光表面改性技术包括:激光表面相变硬化、激光表面合金化与熔覆、激光表面非晶化与微晶和激光冲击强化等[15]。利用激光表面改性技术可以极大地提高零件表面的机械、物理和化学性质,现在已经广泛应用于工业生产。

(1)表面硬化或淬火。铁基合金通过激光表面硬化产生马氏体,从而增加零件表面的耐磨性能和疲劳强度。例如经激光表面硬化的AISI1045钢样品,其表面硬度H RC为55,磨损10h后所产生的质量损耗为0.6~1.4mg;而在相同试验条件下,未经处理的AISI1045钢的硬度H RC仅为35,质量损耗为4.18m g,经激光表面硬化后的样品耐磨性能

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