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关于激光加工技术在机械制造中的应用分析

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摘 要:激光加工技术作为科学技术在工业生产活动开展过程中的延伸,不断拓展了更为广泛的应用范围,同时也在很大程度上促使激光加工技术的优化升级。本文主要通过全面了解激光加工技术的主要概念,分析激光加工技术的特点性质,从而进一步展开机械制造行业的相关使用路径综合论述,最终为更好的总结归纳出今后未来激光加工技术的发展趋势。

关键词:激光加工技术;机械制造;技术应用

1 激光加工技术的优势和特点

激光加工技术属于无接触加工,无“刀具”磨损,无“切削力”,对工件无直接冲击,因此无机械变形;激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换,且其移动速度均可调,因此可以实现多种加工的目,便于与数控系统配合、对复杂工件进行加工;光斑直径小且可调、加工速度快,因此,其热影响区小,工件热变形小,后续加工量小;激光的波长、频率、能量光斑大小形状可调,因此几乎可以加工各种材料;光束可过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工;因此可实现常规手段无法实现加工形式;激光切割的割缝小,切割面光滑,无需后期处理,因此一致性高,生产效率高,质量可靠。目前的激光加工设备,常与电子,机械以及数字智能化系统相结合,实现加工设备的自动化、智能化、高速化、无人化、柔性化加工,未来将完全替代传统生产方式成为绿色的生产工具。

2 激光加工在机械制造中的应用

2.1 激光热处理

激光热处理技术也称激光淬火,是以高能量激光束快速扫描工件,使被照射的金属或合金表面温度以极快速度升高到相变点以上,随着材料自身冷却,使材料表面硬化,形成的表面硬化层硬度比常规方法热处理的高15%~20%,硬化层深度一般为0.3~1.5mm,从而增加材料表面的疲劳强度,则可以大大提高材料的耐磨性和疲劳性能,如:在汽车关键件上缸体、缸套、曲轴、铝活塞环槽等都可以采用激光热处理,可以降低这些制造工艺复杂,精度要求高的模具成本投入,提高企业的经济效益。

2.2 材料处理

激光加工技术对于材料处理方面的应用十分广泛,其主要工作原理是借助激光的热处理技术,对材料表面进行热能释放,当温度上升接近材料熔点时,被处理材料形态会发生相应改变。由于激光加工技术的融合性,所以在材料处理方面,进一步升级优化了传统热处理技术。通过激光加工技术实现材料处理,在很大程度上延长处理材料的使用寿命,显著提升处理材料的耐热性,与此同时,根据激光加工技术在材料热处理方面展现的优势,该技术生产制造的产品也表现出更为显著的市场竞争力。所以选择性使用计算机设计制图技术结合激光加工技术,为更好的实现机械制造产业目标,有效增强材料热处理手段,从根本上解决了机械制造的自动化精准度,有效的实现激光技术和CAD技术的相互融合,可以充分降低机械制造企业的生产难度,提高产品生产的实际加工效率。

2.3 材料修复

对于激光技术的机械制造在材料加工方面的应用展开相应研究,通过判断可以看出,激光加工技术可以发挥机械制造材料的修复作用。具体的工作流程首先将涂层填料安置于待修复材料表面,随之展开对待修复部位的持续激光束热源照射,借助激光的热加工作用,促使待修复材料表面获取持续的高功率热量供给,从而在机械制造材料的表层结构组织范围出现熔化现象。通过高温供给的方式,改变机械材料的物理性能,增强其高温耐受性以及抗腐蚀性能,有效加深机械制造材料的高质量使用效率。对于经过表面修复的金属材料较普通材料相比各项性能指标都有显著提升,有利于更好的为推进我国机械制造行业的材料选择进程,全面的提高最终成品质量。

2.4 激光切割

激光切割技术是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点,同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质,从而实现将工件割开。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快,因此激光切割能够获得较好的切割质量。该技术在汽车制造和航空领域的金属材料加工都有广泛应用,同时,由于激光加工技术的包容性,对于某些特殊易碎材料的也发挥同样的切割作用,如陶瓷、石英等;并且,由于激光束的精准度较高,对于采用激光切割的零部件,在切割后不会出现像火焰切割、等离子切割的热变形、噪音小、生產过程清洁无污染等,真正使金属切割过程达到快速、精准、环保、节能,金属加工从此进入自动化、柔性化、智能化、高效化时代。

2.5 激光焊接

激光焊接的机械材料制造加工技术,通过借助激光束具有的热源性能,对机械零部件进行加热升温至熔点,促使表面接口处部位的局部熔化,从而有效衔接机械零部件机构。由于激光焊接热影响区小、加热集中迅速、热应力低,因而在集成电路和半导体器件壳体的封装中,显示出独特的优越性;在真空器件研制中,激光焊接也得到了应用,如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm,采用传统焊接方法难以解决,TIG焊容易焊穿,等离子稳定性差,影响因素多而采用激光焊接效果很好,得到广泛的应用。由于该技术本身所具有的操作简便且成品灵活性高的优势特点,所以在航空建设制造领域方面发挥显著成效。从根本上填补了铆接工艺的欠缺,在减轻飞机重量和有效节约生产成本方面发挥重要技术支持。

2.6 激光增材制造

传统零件加工主要是减材制造,通过对工件切割、钻、铣等加工方法去除部分材料,从而获得一个三维物体形态。而激光加工技术的应用,通过借助激光高功率水平,不断对原材料施加相应的能量,从而按照三维立体的模型数据信息,完成阶段性的分层制造,最终实现三维立体的零部件实物。对于三维立体打印技术,根据实际的运行原理不同,可以从根本形式上划分为两种技术形态:一种是通过预先安置金属粉末,采用高能激光束通过自动化控制实现金属粉末的实时扫描,进而加速金属粉末熔化后再次成型过程。该过程被称为激光选区熔化,另一种则是通过设置加工路径,发挥激光束的携带作用,将金属粉末送入机械制造器具,直接完成激光金属的堆积成形工作。主要应用于航空发动机叶片、涡轮导向器等的修复,通过有效的利用激光加工技术,解决了重载车辆发动机凸轮轴、高速列车车轴、大型压缩机叶轮等典型装备零件再制造技术难题,创造了显著经济效益和社会效益。

3 结语

随着国产激光器的进步、大功率光纤激光器应用的成熟,国内激光企业的发展,机器人技术的普及,以及配套控制软件的优化和三维及动态仿真技术的完善,激光加工技术必然从目前主要集中于军工,航天、汽车、手机等高附加值产业向其他行业扩展,甚至可能像在钣金行业中那样成为行业材料加工手段的首选。其次考虑的激光的多样性,可调性,可控性,激光加工技术必然会在越来越多的行业发挥出优于传统加工手段的的特点。如蓝光、绿光、等不同波长的激光在有色金属焊接上的优异表现,如脉冲宽度在ps甚至fs量级的超快激光器在精密材料加工中的应用,如与机器人技术结合衍生出的飞行焊接、飞行打标和柔性切割技术等,激光加工技术的普及和推广必将推动我国机械制造行业的发展,向智能加工和智能制造迈进。

参考文献:

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[2]吴士蓉,周健.我国激光加工技术发展分析与展望—基于专利之星平台中国专利检索数据[J].现代情报,2013 (8):112-116+122.

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