摘要:介紹了激光加工技術(shù)的工藝和設(shè)備,其中激光加工工藝中又重點(diǎn)介紹了激光表面處理和激光焊接技術(shù),并指出了這些領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向.表面處理技術(shù)主要介紹了快速凝固條件下非常規(guī)成分新合金以及金屬/陶瓷復(fù)合材料的合成和表征;激光焊接技術(shù)主要介紹了焊接過程和焊接質(zhì)量的檢測(cè)與控制以及特種材料的精確焊接.在激光加工設(shè)備內(nèi)容中,主要介紹了材料精確加工對(duì)激光器的性能要求和發(fā)展趨勢(shì),并提出了國產(chǎn)高質(zhì)量激光器的研究方向.

    關(guān)鍵詞:激光加工;表面處理;焊接;設(shè)備

    中圖分類號(hào):TG146.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

    激光加工技術(shù)是指利用大功率激光束進(jìn)行打孔、切割、焊接和表面處理等材料成型和改性等一系列工藝技術(shù).在過去的近30年時(shí)間里,激光加工技術(shù)得到了異常迅速的發(fā)展,不僅形成了集光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、材料、物理、化學(xué)等多門學(xué)科于一體的綜合性交叉學(xué)科,而且得到了廣泛的工業(yè)運(yùn)用,并已形成一個(gè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè).激光加工工藝(軟件)和激光加工設(shè)備(硬件)兩個(gè)方面的研究進(jìn)展直接決定了這一新學(xué)科和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平[1～4].

    1激光加工工藝

    1.1表面處理

    表面處理是近20年來激光加工領(lǐng)域中最為活躍的研究方向,發(fā)展了相變硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等一系列處理工藝.其中相變硬化和熔凝處理的工藝技術(shù)已趨向成熟并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化.合金化和熔覆工藝無論對(duì)基體材料的適應(yīng)范圍還是性能改善的幅度,都比前二種工藝要寬廣得多,因而發(fā)展前景更為廣闊.以下一些研究方向?qū)⒊蔀榻窈蟮难芯繜狳c(diǎn)和技術(shù)進(jìn)展的關(guān)鍵.

    1.1.1非常規(guī)成分新合金表層的合成及其組織、結(jié)構(gòu)和性能與成分和工藝間的關(guān)系

    利用激光作用下的快速加熱和隨后的快速凝固特性,采用合金化或熔覆的方法,可以獲得不受常規(guī)條件下的溶解度和平衡相圖所確定的相規(guī)律限制的新合金,乃至非晶態(tài)表層.這種合金可能具有很高的耐磨、耐熱、耐蝕性能和異乎尋常的電、磁、熱性能.因此,利用激光處理,在金屬材料表面合成非常規(guī)成分合金的工藝,可能會(huì)給金屬材料表面處理技術(shù)的發(fā)展和表面層性能改善提供一種獨(dú)特而有效的途徑.在這種條件下形成的合金的成分、組織和性能與形成工藝之間的關(guān)系將是重要的研究課題[5～12].

    1.1.2金屬/陶瓷復(fù)合材料的表面原位合成及其結(jié)構(gòu)

    與性能設(shè)計(jì)作為金屬基復(fù)合材料主體的金屬/陶瓷復(fù)合材料在制備過程中所遇到的主要障礙是金屬基體與陶瓷增強(qiáng)相之間的相容性與濕潤性問題.迄今為止有關(guān)金屬基復(fù)合材料制備方法的研究主要都是圍繞這二個(gè)問題展開的.激光作用所產(chǎn)生的瞬間高溫可望同時(shí)解決這兩個(gè)難題[10].用顆粒射入和粉末冶金兩種工藝在激光作用區(qū)形成顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的工作已經(jīng)取得一定的進(jìn)展,這種方法為材料表面的組織結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)提供了有效的途徑.合成工藝、結(jié)構(gòu)選擇和性能設(shè)計(jì)將是研究的重點(diǎn).

    1.1.3處理過程中熱場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬和變形控制

    細(xì)長形機(jī)械零件加工及表面處理后的變形是影響精確成形的主要問題.激光處理過程中可以利用選擇性局部順序處理的特點(diǎn),有可能對(duì)處理過程中的變形進(jìn)行控制甚至實(shí)現(xiàn)校形.因此,處理過程中熱場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)模擬和由此產(chǎn)生的變形預(yù)測(cè),將是實(shí)現(xiàn)變形控制和校形的關(guān)鍵.

    1.2激光焊接

    在機(jī)械工業(yè)中得到日益廣泛應(yīng)用的激光焊接是大功率所產(chǎn)生的小孔效應(yīng)基礎(chǔ)上的深熔焊接,它既是一種熔深大、速度快、單位時(shí)間熔合面積大的高效焊接方法,又是一種焊縫深寬比大、比能小、熱影響區(qū)小、變形小的精確焊接方法.但是,它要求被焊件有高的裝配精度,而且要求被聚焦成很細(xì)的激光束嚴(yán)格沿著待焊縫隙掃描,這種嚴(yán)格要求限制了激光焊接的進(jìn)一步推廣應(yīng)用.以下幾方面的研究進(jìn)展將決定激光焊接的技術(shù)水平和應(yīng)用范圍.

    1.2.1焊接過程和焊接質(zhì)量的檢測(cè)與控制

    影響激光焊接質(zhì)量的因素包括激光功率、聚焦?fàn)顟B(tài)、等離子體狀態(tài)、聚焦光束與焊縫的對(duì)中以及焊縫軌跡跟蹤等.其中有些參數(shù),如等離子體狀態(tài)、聚焦光束與焊縫的對(duì)中程度等的檢測(cè)比較困難.因此,對(duì)激光焊接過程的控制尚限于焊接軌跡的可編程序控制.閉環(huán)控制的研究才處于初始階段,暫談不上更高層次的控制,如優(yōu)化控制、自適應(yīng)控制和智能控制等.因此,焊接過程中一些關(guān)鍵因素的檢測(cè)和更高層次的檢測(cè)將是今后較長一段時(shí)間的主攻目標(biāo).

    1.2.2特種材料的精確焊接

    利用激光可以焊接一般方法難以焊接的高熔點(diǎn)金屬以及非金屬材料.因此,特種材料,如鋯合金、鎢合金、鉬合金和復(fù)合材料等的焊接工藝,將成為下一階段的重要研究內(nèi)容.

    2激光加工設(shè)備

    2.1精確加工對(duì)激光器的性能要求與發(fā)展趨勢(shì)

    2.1.1輸出功率

    不同的加工工藝,對(duì)激光功率的要求不同,大量研究和應(yīng)用實(shí)踐證明,用于切割的激光器,其功率不需超過2kW,用于焊接和表面處理的激光器,其最大功率也不需超過10kW,過高的功率要求既不經(jīng)濟(jì)也沒有必要,重要的是輸出功率的穩(wěn)定性,它是進(jìn)行精確加工的基礎(chǔ).國際上先進(jìn)的大功率CO2激光器,長時(shí)間工作時(shí)的輸出功率波動(dòng)已達(dá)0.5%以下,正向更高的輸出穩(wěn)定性發(fā)展.國產(chǎn)大功率CO2激光器的不穩(wěn)定性約為5%～10%.需從器件、結(jié)構(gòu)、激勵(lì)方式等幾方面進(jìn)行研究和開發(fā),以努力提高穩(wěn)定性.若在已能制備萬瓦級(jí)激光器的基礎(chǔ)上,再花大量工作發(fā)展更高功率的激光器是不合適的.

    2.1.2光束模式

    精確加工,無論是打孔、切割還是焊接,都要求激光器輸出接近基模的理想模式.功率要求不高,一般在115kW以下,但往往要求與脈沖和連續(xù)可調(diào)的輸出方法相配合.功率在5kW以上的激光器,其主要用途是中厚板焊接和表面處理,適合的光束模式是多模或低階模.國際上先進(jìn)的激光器,5kW以下已能輸出基模,而國產(chǎn)激光器,1kW以下還達(dá)不到基模輸出.因此,國產(chǎn)激光器在精確打孔、切割和薄板焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用受到嚴(yán)重的限制.研究開發(fā)基模輸出的激光器是發(fā)展我國精確激光加工的當(dāng)務(wù)之急[13～14].

    2.2發(fā)展國產(chǎn)高質(zhì)量激光器的研究方向

    2.2.1快速軸流換熱

    實(shí)踐證明,快速軸流換熱是實(shí)現(xiàn)CO2激光大功率、高質(zhì)量光束和高電—光轉(zhuǎn)換效率的有效途徑.對(duì)功率為1～10kW的激光器,快速軸流換熱目前看來是最佳的換熱方式,我們國家的激光器應(yīng)盡快開發(fā)并采用這種方式.

    2.2.2高頻(射頻)激勵(lì)

    射頻激勵(lì)方式因其放電穩(wěn)定,注入功率密度高,為制造結(jié)構(gòu)緊湊的激光器提供了條件.目前國際上出現(xiàn)的射頻激勵(lì)樣機(jī),已可以把輸出功率為1kW的激光器做到不足30kg重,可由機(jī)器人來夾持進(jìn)行各種加工,給利用激光器進(jìn)行復(fù)雜形體的精確加工創(chuàng)造了極為有利的條件,這是一個(gè)非常引人注目的發(fā)展方向.綜合以上分析,激光加工技術(shù)無論在今后的一段時(shí)間里都會(huì)有很大的發(fā)展.根據(jù)國外發(fā)展的動(dòng)向和我國的實(shí)情,應(yīng)該重點(diǎn)開發(fā)研究的是表面處理、精確焊接和高質(zhì)量的激光器.它們的發(fā)展水平直接制約著整個(gè)激光加工技術(shù)的工藝水平和應(yīng)用范圍.激光加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)該是汽車/機(jī)械制造行業(yè),而在汽車/機(jī)械制造行業(yè)中的應(yīng)用則要求有很高的工藝水平和裝備水平.