大功率激光加工技術(shù)在機械工業(yè)中的應用

　　20世紀70年代，美國進行了兩大研究：一是福特汽車公司進行的車身鋼板的激光焊接；二是通用汽車公司進行的動力轉(zhuǎn)向變速箱內(nèi)表面的激光淬火。這兩項研究推動了之后的機械制造業(yè)中的激光加工技術(shù)的發(fā)展。到80年代后期，激光加工的應用實例有所增加，其中增長最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。這3項技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展成熟，應用也很廣泛。進入21世紀初始，“激光技術(shù)國家重點實驗室”和“激光加工國家研究中心”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，并選定重點研究項目，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)才得以在我國機械工業(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用，是因為它與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比具有很多優(yōu)點：一是非接觸加工，沒有機械力；二是可以加工高硬度、高熔點、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)控機床相結(jié)合，使激光加工具有加工精度高、可控性好、程序簡單、省料及污染少等特點。下面，綜合介紹在機械工業(yè)中應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運動，在工件上形成切縫。激光照射工件表面時，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，使材料吸收率提高，迅速加熱切割區(qū)材料。此時吹氧可以助燃，并提供大量熱能，使切割速度提高；還可吹走熔渣，保護和冷卻鏡頭。

　　激光切割有很多特點：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，表面應力小；切割速度快，熱影響區(qū)小；適合加工板材。

　　在工業(yè)機械生產(chǎn)制造中，“激光技術(shù)國家重點實驗室”和武漢法利萊聯(lián)合研制的WALC4020寬幅面數(shù)控激光切割機（見圖1），除了可以達到上述要求及切割幅面寬的特點外，還具有以下技術(shù)創(chuàng)新點：懸臂倒掛橫梁、直線電動機驅(qū)動、SIEMENS 840D控制器、專有光束質(zhì)量調(diào)整系統(tǒng)、穿透檢測、自動聚焦、打孔切割雙流量控制系統(tǒng)以及垂直升降式交換工作臺結(jié)構(gòu)等。這些技術(shù)創(chuàng)新使WALC4020激光切割機的技術(shù)性能超過其他同類產(chǎn)品，達到國際先進水平。　

　　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，或融合焊接、切割于一體的激光加工設備，能成倍提高焊接質(zhì)量。其焊接接頭強度高，可以達到與母材等強度，設備性能穩(wěn)定、重復性好、可靠性高，焊接接頭無脫斷，并且在國內(nèi)率先開發(fā)出汽車排氣管、傳動部件和生產(chǎn)工件的激光焊接成套設備，能成倍提升生產(chǎn)效率和使用壽命，經(jīng)濟效益十分顯著。

　　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的表面硬化處理新工藝。

　　其主要特點有：

　　（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，淬火應力及變形小。

　　（4）可以對形狀復雜的零件和不能使用其他常規(guī)方法處理的零件進行局部硬化處理。同時，也可以根據(jù)需要在同一零件的不同部位進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，工藝過程易實現(xiàn)計算機控制，自動化程度高，可納入生產(chǎn)流水線。

　　（6）激光硬化靠熱量由表及里的傳導自冷，無需冷卻介質(zhì)，對環(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)在機械工業(yè)得到迅速發(fā)展和廣泛應用，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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