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    大功率激光設備在機械產業中的應用

    2015-10-26

    激光加工是20世紀60年代初期興起的一項新技術,廣泛應用于農業機械、工程機械、糧油機械、特種汽車、鋸片及造船等行業。尤以在機械行業的發展速度最快,而在機械制造業中的廣泛使用又進一步推動了激光加工技術的產業化。
    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向變速箱內表面的激光淬火。這兩項研究推動了之后的機械制造業中的激光加工技術的發展。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項技術目前已經發展成熟,應用也很廣泛。進進21世紀初始,“激光技術國家重點實驗室”和“激光加工國家研究中心”率先在武漢法利萊切割系統工程有限公司組建了激光產業科研組,并選定重點研究項目,以法利萊公司作為生產和研究基地。自此,大功率激光加工技術才得以在我國機械產業領域落地生根。

    激光加工技術之所以得到如此廣泛的應用,是由于它與傳統加工技術相比具有很多優點: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,加工質量高;四是與現代數控機床相結合,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,綜合先容在機械產業中應用比較廣泛的幾種激光加工技術。

    1.激光切割

    激光切割是利用經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,并吹進活性氣體助燃。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。吸收部分轉化為熱能,使工件表面溫度急劇升高,材料熔化、氣化,產生黑洞效應,使材料吸收率進步,迅速加熱切割區材料。此時吹氧可以助燃,并提供大量熱能,使切割速度進步;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,熱影響區小;適合加工板材。

    在產業機械生產制造中,“激光技術國家重點實驗室”和武漢法利萊聯合研制的WALC4020寬幅面數控激光切割機,除了可以達到上述要求及切割幅面寬的特點外,還具有以下技術創新點:懸臂倒掛橫梁、直線電動機驅動、SIEMENS840D控制器、專有光束質量調整系統、穿透檢測、自動聚焦、打孔切割雙流量控制系統以及垂直升降式交換工作臺結構等。這些技術創新使WALC4020激光切割機的技術性能超過其他同類產品,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、變形小的生產加工方法,非常適合大量而連續的加工過程。法利萊大功率激光科研基地生產的專用激光焊接機,或融合焊接、切割于一體的激光加工設備,能成倍進步焊接質量。其焊接接頭強度高,可以達到與母材等強度,設備性能穩定、重復性好、可靠性高,焊接接頭無脫斷,并且在國內率先開發出汽車排氣管、傳動部件和生產工件的激光焊接成套設備,能成倍提升生產效率和使用壽命,經濟效益十分明顯。

    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域內(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,實現氣缸孔表面的相變硬化。

    激光表面硬化與常規的硬化工藝相比,其發展歷史很短,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。

    激光加工焊接

    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,因而熱影響區小,淬火應力及變形小。

    (4)可以對外形復雜的零件和不能使用其他常規方法處理的零件進行局部硬化處理。同時,也可以根據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,生產效率高,工藝過程易實現計算機控制,自動化程度高,可納進生產流水線。

    (6)激光硬化靠熱量由表及里的傳導自冷,無需冷卻介質,對環境無污染。

    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,彌散度進步,在次表層產生殘余奧氏體。對鑄鐵材料來說,工件表面硬度大幅度進步后,硬度可從原來的180~250HV進步到1000HV左右,耐磨性進步3~4倍以上,而且工件表面的抗疲憊性能和抗腐蝕性能也獲得明顯進步。

    隨著大功率激光器的研制成功,激光加工技術在機械產業得到迅速發展和廣泛應用,大功率激光切割焊接技術必將為民族產業起到很好的助推作用!

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