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曾晓雁教授谈应用广泛的激光加工技术
关键词:激光加工
2020-09-23

目前,激光加工技术已经成为先进制造技术领域的典型代表,应用到几乎所有的主流制造领域,如汽车制造,电子器件,航空航天,石油化工,冶金矿山,能源交通以及新能源等等,只是不同的领域普及程度不同而巳。亳不夸张地说,哪个行业或领域应用激光加工技术多,该领城的技术水平越先进,发展也越好。


为什么激光加工如此重要呢?

众所周知,车,铣,刨,磨等传统机械加工技术,都是控制系统驱动电机运动,而后后者带动相应的加工工具完成的,这个过程除了摩擦生热,没有另外的热源输人,因此属于“冷加工”工艺过程。而激光加工则是采用高能量密度激光束对材料进行熔化、气化、固态相变或者冲击强硬化等使物质形态改变的工艺过程,它同样需要运动机构,但加工能カ和范围要大得多:既可以是热加工(如激光焊接、切割、打孔、标刻、熔覆以及淬火等),也可以是冷加工(例如采用皮秒/飞秒激光进行铣削,车削等),目前应用最广的还是热加工,如激光切割、焊接、表面处理以及增材制造等等.除了激光,还没有哪一种工具能在如此宽泛的范围内实现材料加工。


激光加工技术逐步取代传统机械加工

有人或许会问,激光加工技术是否有一天会完全取代传统的机械加工呢?这一点不能一概而论。传统的机械加工包括狭义的机械加工(例如车,铣,刨、磨)和广义的机械加工(含铸、锻、焊等热加工技术和车铣刨磨等冷加工),而激光加工技术范畴铰宽,因此,针对不同的技术分别讨论比较好。


数十年来,激光切割技术一直以切割精度高、效率高而备受青睐,薄板激光切割加工周期短,可节约开模费在很大程度上取代了冲压。以前,由于激光器依赖进口,激光切割机成本居高不下。近年来,锐科、创鑫等国产光纤激光器品牌强势崛起并大量替代进口,使得激光切割装备的价格大幅度下降,市场出现井喷,不但应用面大幅度扩展,还在很多方面取代了传统的等离子切割、氧割、电火花切割以及水切割等传统工艺。激光切割设备年产量已达数万台,改写了饭金加工产业的格局。


激光焊接技术也是激光加工领域的主流技术之一。与传统弧焊工艺相比,激光悍接热影响区小,工件变形小,接头性能好,还可显著改善材料的焊接性。独树一帜的激光-电弧复合焊接技术,将激光焊接与电弧焊接的优势有机结合,不仅显著提升焊接速度和熔深,而且降低单纯激光焊接对拼缝间隙的高精度要求,还可以通过调整金属丝成分改善焊缝的性能。因此,激光悍接和激光-电弧复合焊接巳经成为高端焊接技术的代名词,在汽车、航空航天和精密机械等领域中率先应用,并逐步扩展到冶金、石化、船舶及能源等重型机械中。随着激光器价格的不断降低,激光焊接(含激光电弧复合焊接技术)取代传统弧焊技术的速度会不断提升。


激光表面工程技术近年来的表现也可圈可点。激光表面淬火技术、强化与修复技术等已经在各行各业中得到应用,并迅速取代传统的感应淬火、渗碳淬火、堆焊、热喷涂和喷焊技术,在航空航天,机械制造、冶金石化和能源交通等领域得到广泛应用。特别值得一提的是激光清洗技术,它是采用高能量密度的激光束烧蚀金属表面,使零件表面的油污、锈斑和有机粘附物等瞬间发生升华、气化或者燃烧而脱高基体表面的工艺过程。这基本上是一个纯物理过程,“清洗”效率高,基本不损伤基体,又不需要洗涤剂等化学介质,节能环保。与上述激光加工技术都有一些传统的热加工工艺对应不同,激光清洗似平是激光技术所独有的,刚好可满足当前国内对环保的高要求。


与冷加工对应的激光加工技术是基于飞秒与皮秒激光刻蚀或者基于紫外、深紫外波长的激光精密刻蚀或者精密切割、打孔。尽管其去除材料的原理仍然与激光的热效应密不可分,但是对被加工零件基体的热影响几乎可以忽略,因此激光“铣削",“车削”技术也常常被称为激光“冷加工",并在超硬、超脆和超钦材料的加工中率先得到应用。随着激光器功率的不断增加,特别是千瓦级超快激光器的出现,激光"冷加工”效率不断提升,加上“激光刀”“永不磨损”的特性,预期激光刻蚀技术会在越来越多的场合取代传统的冷加工工艺,当前的主要障碍还是超快激光器的价格太贵。


激光加工技术应用市场前景广阔

目前,激光加工技术的应用方兴未艾,市场前景非常广阔。这是因为,激光束既可以以高功率连续模式输出,也可以高重频,低峰值功率和短脉宽的准连续脉冲方式输出,还可以有低重频、高峰值功率的脉冲输出,能量大小,输出方式和形状以及能量密度都可以在很宽的范围内精确调控。当脉宽短至皮秒或飞秒时,峰值功率极高,激光加工精度高,热影响区极小。此外,激光波长可以从深紫外到远红外调节,满足不同材料的加工要求。所以,激光加工技术可满足减材制造(如激光切割、激光打孔、激光铣削、激光刻蚀及激光抛光)、等材制造(如激光焊接、激光相变硬化、激光冲击强化、激光熔凝强化及激光折弯)和增材制造(如与合金化、激光增材制造)等各种工艺过程的需求。


智能手机现在已成为典型的通讯平台,远远超越了单纯通话范畴。但是,如果没有激光先进制造技术,如激光精密刻蚀,切割与打孔以及精密焊接这些核心技术的支持,手机是无法做到如今这么精巧,精致和可靠的。


激光加工技术重点关注领域

目前激光加工技术的重点关注领域,主要集中在如下几个方面:


01激光增材制造

其主要聚焦于激光选区熔化成形技术,因为该技术可以实现集成制造,即将多个零件,多种结构作为一个零件,实现集成制造。这不但可以显著减少零件数目,提高装备可靠性.还可以实视零件减重,减少体积,达到结构功能一体化,因此特别受到航空航天领域的关注。


02厚板激光切割与焊接

以前,由于高功率激光器的价格品贵,加上性能稳定性也欠佳,因此激光切制与焊接技术主要局限于薄板与中厚饭(一般不超过20mm)。近年来,国产万瓦级甚至2万瓦级别光纤激光器研制成功并趋于稳,激活了中厚板基至厚板激光切割与焊接市场的需求。目前,厚板激光犀接应用还滞后于激光切割,主要是基于万瓦级激光悍接工艺特别是激光-电弧复合悍接工艺发展还相对滞后.但是可以预期,不需要多长时间,这个空档就会被填上。


03激光高速熔覆技术

众所周知,由于环保方面的限制,金属电镀已在许多地方都受到限制。但是,材料表面的耐腐蚀、耐磨性及耐热性在许多工况下又是“刚需”,因此寻找环境友好的替代技术迫在眉睫。激光高速熔覆技术的沉积效率高,性能好,性价比高,对环境无污染,正好填补了这个空挡,因此得以迅速推广应用。


未来发展驱动力

激光加工技术与装备的未来发展驱动力,来自四个方面:


01光源驱动

新型或高性能激光器的出现,或者激光器成本的显著降低,会触发相应的市场应用出现爆发式增长。正所谓,一代激光器,一代装备。厚板激光切割设备快速走入工业领域就是一个典型案例。


02系统功能驱动

如今已经进入信息化、智能制造时代。激光加工的精确可控性,使其成为智能制造的天然终端与执行机构。例如将激光切割融入整体生产环节,可以实现零库存。


03加工工艺驱动

例如,高速熔覆技术,仅仅是改变一些激光熔疆的思路,就开辟了新的应用场景:不仅熔覆效率显著提升,且工件变形小,成本可以和传统的电镀工艺竞争。


04市场驱动

例如,即使采用高速熔覆技术,制造成本仍然远高于铬等电镀工艺。但是,由于环保政策等原因,电镀工艺的非生产成本过高,因此使得高速熔覆的总体成本基至比电镀技术还要低。




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