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大功率激光加工技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用

來源:中國(guó)幕墻網(wǎng)收集整理  作者:*  日期:2008-7-4
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  20世紀(jì)70年代,美國(guó)進(jìn)行了兩大研究:一是福特汽車公司進(jìn)行的車身鋼板的激光焊接;二是通用汽車公司進(jìn)行的動(dòng)力轉(zhuǎn)向變速箱內(nèi)表面的激光淬火。這兩項(xiàng)研究推動(dòng)了之后的機(jī)械制造業(yè)中的激光加工技術(shù)的發(fā)展。到80年代后期,激光加工的應(yīng)用實(shí)例有所增加,其中增長(zhǎng)最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。這3項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)
  20世紀(jì)70年代,美國(guó)進(jìn)行了兩大研究:一是福特汽車公司進(jìn)行的車身鋼板的激光焊接;二是通用汽車公司進(jìn)行的動(dòng)力轉(zhuǎn)向變速箱內(nèi)表面的激光淬火。這兩項(xiàng)研究推動(dòng)了之后的機(jī)械制造業(yè)中的激光加工技術(shù)的發(fā)展。到80年代后期,激光加工的應(yīng)用實(shí)例有所增加,其中增長(zhǎng)最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。這3項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展成熟,應(yīng)用也很廣泛。進(jìn)入21世紀(jì)初始,“激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和“激光加工國(guó)家研究中心”率先在武漢法利萊切割系統(tǒng)工程有限公司組建了激光工業(yè)科研組,并選定重點(diǎn)研究項(xiàng)目,以法利萊公司作為生產(chǎn)和研究基地。自此,大功率激光加工技術(shù)才得以在我國(guó)機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域落地生根。

  激光加工技術(shù)之所以得到如此廣泛的應(yīng)用,是因?yàn)樗c傳統(tǒng)加工技術(shù)相比具有很多優(yōu)點(diǎn):一是非接觸加工,沒有機(jī)械力;二是可以加工高硬度、高熔點(diǎn)、極脆的難加工材料;三是加工精度高,熱變形很小,加工質(zhì)量高; 四是與現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床相結(jié)合,使激光加工具有加工精度高、可控性好、程序簡(jiǎn)單、省料及污染少等特點(diǎn)。下面,綜合介紹在機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛的幾種激光加工技術(shù)。


  1.激光切割
  激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度光束照射工件,材料吸收激光能,溫度急劇升高,工件表面開始熔化或氣化,并吹入活性氣體助燃。隨著激光束與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng),在工件上形成切縫。激光照射工件表面時(shí),一部分光被吸收,另一部分光被工件反射。吸收部分轉(zhuǎn)化為熱能,使工件表面溫度急劇升高,材料熔化、氣化,產(chǎn)生黑洞效應(yīng),使材料吸收率提高,迅速加熱切割區(qū)材料。此時(shí)吹氧可以助燃,并提供大量熱能,使切割速度提高;還可吹走熔渣,保護(hù)和冷卻鏡頭。

  激光切割有很多特點(diǎn):激光可切割特硬、特脆和特軟材料;切縫寬度很窄;切割表面光潔;切割表面熱影響層淺,表面應(yīng)力。磺懈钏俣瓤,熱影響區(qū);適合加工板材。

  在工業(yè)機(jī)械生產(chǎn)制造中,“激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和武漢法利萊聯(lián)合研制的WALC4020寬幅面數(shù)控激光切割機(jī)(見圖1),除了可以達(dá)到上述要求及切割幅面寬的特點(diǎn)外,還具有以下技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn):懸臂倒掛橫梁、直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、SIEMENS 840D控制器、專有光束質(zhì)量調(diào)整系統(tǒng)、穿透檢測(cè)、自動(dòng)聚焦、打孔切割雙流量控制系統(tǒng)以及垂直升降式交換工作臺(tái)結(jié)構(gòu)等。這些技術(shù)創(chuàng)新使WALC4020激光切割機(jī)的技術(shù)性能超過其他同類產(chǎn)品,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平!

  2.激光焊接
  激光焊接是一種高速度、非接觸、變形小的生產(chǎn)加工方法,非常適合大量而連續(xù)的加工過程。法利萊大功率激光科研基地生產(chǎn)的專用激光焊接機(jī),或融合焊接、切割于一體的激光加工設(shè)備,能成倍提高焊接質(zhì)量。其焊接接頭強(qiáng)度高,可以達(dá)到與母材等強(qiáng)度,設(shè)備性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、可靠性高,焊接接頭無脫斷,并且在國(guó)內(nèi)率先開發(fā)出汽車排氣管、傳動(dòng)部件和生產(chǎn)工件的激光焊接成套設(shè)備,能成倍提升生產(chǎn)效率和使用壽命,經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

  3.激光硬化
  激光硬化就是激光淬火,是用高能激光束快速掃描氣缸孔表面,在表面極薄一層的小區(qū)域內(nèi)(光斑大小)快速吸收能量而使溫度急劇上升(見圖2、圖3)。由于金屬基體優(yōu)良的傳熱、導(dǎo)熱性,表面熱量迅速傳到氣缸基體的其他部分,從而在極短的瞬間完成自冷淬火,實(shí)現(xiàn)氣缸孔表面的相變硬化。

  激光表面硬化與常規(guī)的硬化工藝相比,其發(fā)展歷史很短,但從已取得的效果來看,激光硬化處理工藝是一種具有很多特點(diǎn)的表面硬化處理新工藝。

  其主要特點(diǎn)有:

  (1)材料表面的高速加熱和高速自冷。

 。2)激光硬化處理后的工件表面硬度高,比常規(guī)淬火要高5 %~20%,可獲得極細(xì)的硬化層組織。

  (3)由于激光加熱速度快,因而熱影響區(qū)小,淬火應(yīng)力及變形小。

 。4)可以對(duì)形狀復(fù)雜的零件和不能使用其他常規(guī)方法處理的零件進(jìn)行局部硬化處理。同時(shí),也可以根據(jù)需要在同一零件的不同部位進(jìn)行不同的激光硬化處理。

 。5)激光硬化工藝周期短,生產(chǎn)效率高,工藝過程易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制,自動(dòng)化程度高,可納入生產(chǎn)流水線。

 。6)激光硬化靠熱量由表及里的傳導(dǎo)自冷,無需冷卻介質(zhì),對(duì)環(huán)境無污染。

  由熱處理理論可知,材料熱處理后的硬度與溫度的變化速率有密切關(guān)系。變化速率越大,硬度越高,耐磨性越好。激光淬火后,在工件表面可得到晶體細(xì)化、組織致密的馬氏體和萊氏體,表層石墨消失,碳化物含量增加,彌散度提高,在次表層產(chǎn)生殘余奧氏體。對(duì)鑄鐵材料來說,工件表面硬度大幅度提高后,硬度可從原來的180~250HV提高到1000HV左右,耐磨性提高3~4倍以上,而且工件表面的抗疲勞性能和抗腐蝕性能也獲得明顯提高。

  隨著大功率激光器的研制成功,激光加工技術(shù)在機(jī)械工業(yè)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,大功率激光切割焊接技術(shù)必將為民族工業(yè)起到很好的助推作用!
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