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激光加工的原理、特點(diǎn)和發(fā)展前景

牽手一起夢(mèng) ? 來源:一只機(jī)械小愛好者 ? 作者:佚名 ? 2020-09-29 14:45 ? 次閱讀
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激光加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來完成加工過程,包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、激光鉆孔和微加工等。用激光束對(duì)材料進(jìn)行各種加工,如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光能適應(yīng)任何材料的加工制造,尤其在一些有特殊精度和要求、特別場(chǎng)合和特種材料的加工制造方面起著無可替代的作用。

一 激光加工的原理及其特點(diǎn)

1. 激光加工的原理

激光加工是將激光束照射到工件的表面,以激光的高能量來切除、熔化材料以及改變物體表面性能。由于激光加工是無接觸式加工,工具不會(huì)與工件的表面直接磨擦產(chǎn)生阻力,所以激光加工的速度極快、加工對(duì)象受熱影響的范圍較小而且不會(huì)產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動(dòng)速度均可調(diào)節(jié),因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上。

2.激光加工的特點(diǎn)

激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領(lǐng)域存在的優(yōu)勢(shì):

①由于它是無接觸加工,并且高能量激光束的能量及其移動(dòng)速度均可調(diào),因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的。

②它可以對(duì)多種金屬、非金屬加工,特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點(diǎn)的材料。

③激光加工過程中無"刀具"磨損,無"切削力"作用于工件。

④激光加工過程中,激光束能量密度高,加工速度快,并且是局部加工,對(duì)非激光照射部位沒有影響或影響極小。因此,其熱影響區(qū)小,工件熱變形小,后續(xù)加工量小。

⑤它可以通過透明介質(zhì)對(duì)密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工。

⑥由于激光束易于導(dǎo)向、聚集實(shí)現(xiàn)作各方向變換,極易與數(shù)控系統(tǒng)配合,對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工,因此是一種極為靈活的加工方法。

⑦使用激光加工,生產(chǎn)效率高,質(zhì)量可靠,經(jīng)濟(jì)效益好。

二 激光技術(shù)

用激光束對(duì)材料進(jìn)行各種加工,如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光加工有許多優(yōu)點(diǎn):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(diǎn)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(yīng)力,不易污染;④可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的工件或密封在玻璃殼內(nèi)的材料加工;⑤激光束的發(fā)散角可小于1毫弧,光斑直徑可小到微米量級(jí),作用時(shí)間可以短到納秒和皮秒,同時(shí),大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達(dá)千瓦至十千瓦量級(jí),因而激光既適于精密微細(xì)加工,又適于大型材料加工;⑥激光束容易控制,易于與精密機(jī)械、精密測(cè)量技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)加工的高度自動(dòng)化和達(dá)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(jī)器人進(jìn)行激光加工。

1.激光打孔

采用脈沖激光器可進(jìn)行打孔,脈沖寬度為0.1~1毫秒,特別適于打微孔和異形孔,孔徑約為0.005~1毫米。激光打孔已廣泛用于鐘表和儀表的寶石軸承、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭等工件的加工。

2.激光切割、劃片與刻字

在造船、汽車制造等工業(yè)中,常使用百瓦至萬瓦級(jí)的連續(xù)CO2激光器對(duì)大工件進(jìn)行切割,既能保證精確的空間曲線形狀,又有較高的加工效率。對(duì)小工件的切割常用中、小功率固體激光器或CO2激光器。在微電子學(xué)中,常用激光切劃硅片或切窄縫,速度快、熱影響區(qū)小。用激光可對(duì)流水線上的工件刻字或打標(biāo)記,并不影響流水線的速度,刻劃出的字符可永久保持。

3.激光微調(diào)

采用中、小功率激光器除去電子元器件上的部分材料,以達(dá)到改變電參數(shù)(如電阻值、電容量和諧振頻率等)的目的。激光微調(diào)精度高、速度快,適于大規(guī)模生產(chǎn)。利用類似原理可以修復(fù)有缺陷的集成電路的掩模,修補(bǔ)集成電路存儲(chǔ)器以提高成品率,還可以對(duì)陀螺進(jìn)行精確的動(dòng)平衡調(diào)節(jié)。

4.激光焊接

激光焊接強(qiáng)度高、熱變形小、密封性好,可以焊接尺寸和性質(zhì)懸殊,以及熔點(diǎn)很高(如陶瓷)和易氧化的材料。激光焊接的心臟起搏器,其密封性好、壽命長(zhǎng),而且體積小。

5.激光熱處理

用激光照射材料,選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)和控制照射時(shí)間、功率密度,可使材料表面熔化和再結(jié)晶,達(dá)到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點(diǎn)是可以控制熱處理的深度,可以選擇和控制熱處理部位,工件變形小,可處理形狀復(fù)雜的零件和部件,可對(duì)盲孔和深孔的內(nèi)壁進(jìn)行處理。例如,氣缸活塞經(jīng)激光熱處理后可延長(zhǎng)壽命;用激光熱處理可恢復(fù)離子轟擊所引起損傷的硅材料。

6.強(qiáng)化處理

激光表面強(qiáng)化技術(shù)基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個(gè)過程,在金屬材料激光表面強(qiáng)化中,當(dāng)激光束能量密度處于低端時(shí)可用于金屬材料的表面相變強(qiáng)化,當(dāng)激光束能量密度處于高端時(shí),工件表面光斑出相當(dāng)與一個(gè)移動(dòng)的隙隙,可完成一系列的 冶金過程,包括表面重熔、表層增碳、表層合金化和表層熔覆。這些功能在實(shí)際應(yīng)用中引發(fā)的材料替代技術(shù),將給制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

而在刀具材料改性中主要應(yīng)用的是熔化處理,熔化處理是金屬材料表面在激光束照射下成為熔化狀態(tài),同時(shí)迅速凝固,產(chǎn)生新的表面層。根據(jù)材料表面組織變化情況,可分為合金化、溶覆、重溶細(xì)化、上釉和表面復(fù)合化等。

激光熔凝是用適當(dāng)?shù)膮?shù)的激光輻照材料表面,使其表面快速熔融、快速冷凝,獲得較為細(xì)化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術(shù)。它具有以下優(yōu)點(diǎn):

1.表面熔化時(shí)一般不添加任何金屬元素,熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合。

2.在激光熔凝過程中,可以排除雜質(zhì)和氣體,同時(shí)急冷重結(jié)晶獲得的雜質(zhì)有較高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。

3.其熔層薄、熱作用區(qū)小,對(duì)表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時(shí)可不再進(jìn)行后續(xù)磨光而直接使用。

4.提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限,晶粒及第二相質(zhì)點(diǎn)超細(xì)化,形成亞穩(wěn)相可獲得無擴(kuò)散的單一晶體結(jié)構(gòu)甚至非晶態(tài),從而使生成的新型合金獲得傳統(tǒng)方法得不到的優(yōu)良性能。

光束可以通過光路導(dǎo)向,因而可以處理零件特殊位置和形狀復(fù)雜的表面。

綜合激光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及以被廣泛應(yīng)用的技術(shù)的缺點(diǎn),把激光技術(shù)應(yīng)用于刀具材料表面強(qiáng)化處理,將是提高刀具耐磨性及其使用壽命的重要途徑之一,尤其對(duì)于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具這種高硬度、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn),有利于提高加工效率和加工精度,并能對(duì)難加工材料如淬火鋼在不利的加工條件下進(jìn)行切削加工。由于它們強(qiáng)度相對(duì)較低,韌性較差,嚴(yán)重地限制了它們的應(yīng)用范圍,因此把激光表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具具有深刻的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。

三 激光加工的發(fā)展前景

激光加工用于再制造業(yè)和應(yīng)用于其他制造業(yè)一樣,有其不可替代的優(yōu)點(diǎn),并優(yōu)于其它加工技術(shù)。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(fù)合涂層及陶瓷涂層,從而使得激光表面加工技術(shù)成為再制造的一項(xiàng)重要手段。它主要是采用5KW~10KWCO2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4%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(guān),微細(xì)激光加工裝備缺口較大,而這些領(lǐng)域我國的生產(chǎn)加工企業(yè)正在積蓄力量穩(wěn)步進(jìn)入,例如亞琛聯(lián)合科技。 ACunity(亞琛聯(lián)合科技公司)于2016年在德國亞琛建立,作為Fraunhofer ILT(弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所)孵化的產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新企業(yè),坐落于亞琛工程谷內(nèi)的光制造中心。公司與德國本土激光技術(shù)、先進(jìn)制造領(lǐng)域的高端企業(yè)建立緊密研發(fā)聯(lián)盟,面向全球市場(chǎng)開展激光制造技術(shù)的研發(fā)、制造、咨詢等服務(wù);對(duì)細(xì)分行業(yè)進(jìn)行評(píng)估,挖掘基于工業(yè)4.0智慧數(shù)字化生產(chǎn)在制造業(yè)中的潛在應(yīng)用,促進(jìn)亞琛與國內(nèi)企業(yè)、高校及研究機(jī)構(gòu)在共同研發(fā)、技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的全面合作。

責(zé)任編輯:gt

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