新一代材料精确成形技术——激光加工技术

摘要:介绍了激光加工技术的工艺和设备,其中激光加工工艺中又重点介绍了激光表面处理和激光焊接技术,并指出了这些领域的重点研究方向.表面处理技术主要介绍了快速凝固条件下非常规成分新合金以及金属/陶瓷复合材料的合成和表征;激光焊接技术主要介绍了焊接过程和焊接质量的检测与控制以及特种材料的精确焊接.在激光加工设备内容中,主要介绍了材料精确加工对激光器的性能要求和发展趋势,并提出了国产高质量激光器的研究方向.

    关键词:激光加工;表面处理;焊接;设备

    中图分类号:TG146.2文献标识码:A

    激光加工技术是指利用大功率激光束进行打孔、切割、焊接和表面处理等材料成型和改性等一系列工艺技术.在过去的近30年时间里,激光加工技术得到了异常迅速的发展,不仅形成了集光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科于一体的综合性交叉学科,而且得到了广泛的工业运用,并已形成一个高新技术产业.激光加工工艺(软件)和激光加工设备(硬件)两个方面的研究进展直接决定了这一新学科和高新技术产业的发展水平[1～4].

    1激光加工工艺

    1.1表面处理

    表面处理是近20年来激光加工领域中最为活跃的研究方向,发展了相变硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等一系列处理工艺.其中相变硬化和熔凝处理的工艺技术已趋向成熟并实现了产业化.合金化和熔覆工艺无论对基体材料的适应范围还是性能改善的幅度,都比前二种工艺要宽广得多,因而发展前景更为广阔.以下一些研究方向将成为今后的研究热点和技术进展的关键.

    1.1.1非常规成分新合金表层的合成及其组织、结构和性能与成分和工艺间的关系

    利用激光作用下的快速加热和随后的快速凝固特性,采用合金化或熔覆的方法,可以获得不受常规条件下的溶解度和平衡相图所确定的相规律限制的新合金,乃至非晶态表层.这种合金可能具有很高的耐磨、耐热、耐蚀性能和异乎寻常的电、磁、热性能.因此,利用激光处理,在金属材料表面合成非常规成分合金的工艺,可能会给金属材料表面处理技术的发展和表面层性能改善提供一种独特而有效的途径.在这种条件下形成的合金的成分、组织和性能与形成工艺之间的关系将是重要的研究课题[5～12].

    1.1.2金属/陶瓷复合材料的表面原位合成及其结构

    与性能设计作为金属基复合材料主体的金属/陶瓷复合材料在制备过程中所遇到的主要障碍是金属基体与陶瓷增强相之间的相容性与湿润性问题.迄今为止有关金属基复合材料制备方法的研究主要都是围绕这二个问题展开的.激光作用所产生的瞬间高温可望同时解决这两个难题[10].用颗粒射入和粉末冶金两种工艺在激光作用区形成颗粒增强复合材料的工作已经取得一定的进展,这种方法为材料表面的组织结构和性能设计提供了有效的途径.合成工艺、结构选择和性能设计将是研究的重点.

    1.1.3处理过程中热场和应力场模拟和变形控制

    细长形机械零件加工及表面处理后的变形是影响精确成形的主要问题.激光处理过程中可以利用选择性局部顺序处理的特点,有可能对处理过程中的变形进行控制甚至实现校形.因此,处理过程中热场、应力场模拟和由此产生的变形预测,将是实现变形控制和校形的关键.

    1.2激光焊接

    在机械工业中得到日益广泛应用的激光焊接是大功率所产生的小孔效应基础上的深熔焊接,它既是一种熔深大、速度快、单位时间熔合面积大的高效焊接方法,又是一种焊缝深宽比大、比能小、热影响区小、变形小的精确焊接方法.但是,它要求被焊件有高的装配精度,而且要求被聚焦成很细的激光束严格沿着待焊缝隙扫描,这种严格要求限制了激光焊接的进一步推广应用.以下几方面的研究进展将决定激光焊接的技术水平和应用范围.

    1.2.1焊接过程和焊接质量的检测与控制

    影响激光焊接质量的因素包括激光功率、聚焦状态、等离子体状态、聚焦光束与焊缝的对中以及焊缝轨迹跟踪等.其中有些参数,如等离子体状态、聚焦光束与焊缝的对中程度等的检测比较困难.因此,对激光焊接过程的控制尚限于焊接轨迹的可编程序控制.闭环控制的研究才处于初始阶段,暂谈不上更高层次的控制,如优化控制、自适应控制和智能控制等.因此,焊接过程中一些关键因素的检测和更高层次的检测将是今后较长一段时间的主攻目标.

    1.2.2特种材料的精确焊接

    利用激光可以焊接一般方法难以焊接的高熔点金属以及非金属材料.因此,特种材料,如锆合金、钨合金、钼合金和复合材料等的焊接工艺,将成为下一阶段的重要研究内容.

    2激光加工设备

    2.1精确加工对激光器的性能要求与发展趋势

    2.1.1输出功率

    不同的加工工艺,对激光功率的要求不同,大量研究和应用实践证明,用于切割的激光器,其功率不需超过2kW,用于焊接和表面处理的激光器,其最大功率也不需超过10kW,过高的功率要求既不经济也没有必要,重要的是输出功率的稳定性,它是进行精确加工的基础.国际上先进的大功率CO2激光器,长时间工作时的输出功率波动已达0.5%以下,正向更高的输出稳定性发展.国产大功率CO2激光器的不稳定性约为5%～10%.需从器件、结构、激励方式等几方面进行研究和开发,以努力提高稳定性.若在已能制备万瓦级激光器的基础上,再花大量工作发展更高功率的激光器是不合适的.

    2.1.2光束模式

    精确加工,无论是打孔、切割还是焊接,都要求激光器输出接近基模的理想模式.功率要求不高,一般在115kW以下,但往往要求与脉冲和连续可调的输出方法相配合.功率在5kW以上的激光器,其主要用途是中厚板焊接和表面处理,适合的光束模式是多模或低阶模.国际上先进的激光器,5kW以下已能输出基模,而国产激光器,1kW以下还达不到基模输出.因此,国产激光器在精确打孔、切割和薄板焊接领域中的应用受到严重的限制.研究开发基模输出的激光器是发展我国精确激光加工的当务之急[13～14].

    2.2发展国产高质量激光器的研究方向

    2.2.1快速轴流换热

    实践证明,快速轴流换热是实现CO2激光大功率、高质量光束和高电—光转换效率的有效途径.对功率为1～10kW的激光器,快速轴流换热目前看来是最佳的换热方式,我们国家的激光器应尽快开发并采用这种方式.

    2.2.2高频(射频)激励

    射频激励方式因其放电稳定,注入功率密度高,为制造结构紧凑的激光器提供了条件.目前国际上出现的射频激励样机,已可以把输出功率为1kW的激光器做到不足30kg重,可由机器人来夹持进行各种加工,给利用激光器进行复杂形体的精确加工创造了极为有利的条件,这是一个非常引人注目的发展方向.综合以上分析,激光加工技术无论在今后的一段时间里都会有很大的发展.根据国外发展的动向和我国的实情,应该重点开发研究的是表面处理、精确焊接和高质量的激光器.它们的发展水平直接制约着整个激光加工技术的工艺水平和应用范围.激光加工的主要应用领域应该是汽车/机械制造行业,而在汽车/机械制造行业中的应用则要求有很高的工艺水平和装备水平.