摘要:介紹了激光加工技術的工藝和設備,其中激光加工工藝中又重點介紹了激光表面處理和激光焊接技術,并指出了這些領域的重點研究方向.表面處理技術主要介紹了快速凝固條件下非常規成分新合金以及金屬/陶瓷復合材料的合成和表征;激光焊接技術主要介紹了焊接過程和焊接質量的檢測與控制以及特種材料的精確焊接.在激光加工設備內容中,主要介紹了材料精確加工對激光器的性能要求和發展趨勢,并提出了國產高質量激光器的研究方向.

    關鍵詞:激光加工;表面處理;焊接;設備

    中圖分類號:TG146.2文獻標識碼:A

    激光加工技術是指利用大功率激光束進行打孔、切割、焊接和表面處理等材料成型和改性等一系列工藝技術.在過去的近30年時間里,激光加工技術得到了異常迅速的發展,不僅形成了集光、機、電、計算機、材料、物理、化學等多門學科于一體的綜合性交叉學科,而且得到了廣泛的工業運用,并已形成一個高新技術產業.激光加工工藝(軟件)和激光加工設備(硬件)兩個方面的研究進展直接決定了這一新學科和高新技術產業的發展水平[1～4].

    1激光加工工藝

    1.1表面處理

    表面處理是近20年來激光加工領域中最為活躍的研究方向,發展了相變硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等一系列處理工藝.其中相變硬化和熔凝處理的工藝技術已趨向成熟并實現了產業化.合金化和熔覆工藝無論對基體材料的適應范圍還是性能改善的幅度,都比前二種工藝要寬廣得多,因而發展前景更為廣闊.以下一些研究方向將成為今后的研究熱點和技術進展的關鍵.

    1.1.1非常規成分新合金表層的合成及其組織、結構和性能與成分和工藝間的關系

    利用激光作用下的快速加熱和隨后的快速凝固特性,采用合金化或熔覆的方法,可以獲得不受常規條件下的溶解度和平衡相圖所確定的相規律限制的新合金,乃至非晶態表層.這種合金可能具有很高的耐磨、耐熱、耐蝕性能和異乎尋常的電、磁、熱性能.因此,利用激光處理,在金屬材料表面合成非常規成分合金的工藝,可能會給金屬材料表面處理技術的發展和表面層性能改善提供一種獨特而有效的途徑.在這種條件下形成的合金的成分、組織和性能與形成工藝之間的關系將是重要的研究課題[5～12].

    1.1.2金屬/陶瓷復合材料的表面原位合成及其結構

    與性能設計作為金屬基復合材料主體的金屬/陶瓷復合材料在制備過程中所遇到的主要障礙是金屬基體與陶瓷增強相之間的相容性與濕潤性問題.迄今為止有關金屬基復合材料制備方法的研究主要都是圍繞這二個問題展開的.激光作用所產生的瞬間高溫可望同時解決這兩個難題[10].用顆粒射入和粉末冶金兩種工藝在激光作用區形成顆粒增強復合材料的工作已經取得一定的進展,這種方法為材料表面的組織結構和性能設計提供了有效的途徑.合成工藝、結構選擇和性能設計將是研究的重點.

    1.1.3處理過程中熱場和應力場模擬和變形控制

    細長形機械零件加工及表面處理后的變形是影響精確成形的主要問題.激光處理過程中可以利用選擇性局部順序處理的特點,有可能對處理過程中的變形進行控制甚至實現校形.因此,處理過程中熱場、應力場模擬和由此產生的變形預測,將是實現變形控制和校形的關鍵.

    1.2激光焊接

    在機械工業中得到日益廣泛應用的激光焊接是大功率所產生的小孔效應基礎上的深熔焊接,它既是一種熔深大、速度快、單位時間熔合面積大的高效焊接方法,又是一種焊縫深寬比大、比能小、熱影響區小、變形小的精確焊接方法.但是,它要求被焊件有高的裝配精度,而且要求被聚焦成很細的激光束嚴格沿著待焊縫隙掃描,這種嚴格要求限制了激光焊接的進一步推廣應用.以下幾方面的研究進展將決定激光焊接的技術水平和應用范圍.

    1.2.1焊接過程和焊接質量的檢測與控制

    影響激光焊接質量的因素包括激光功率、聚焦狀態、等離子體狀態、聚焦光束與焊縫的對中以及焊縫軌跡跟蹤等.其中有些參數,如等離子體狀態、聚焦光束與焊縫的對中程度等的檢測比較困難.因此,對激光焊接過程的控制尚限于焊接軌跡的可編程序控制.閉環控制的研究才處于初始階段,暫談不上更高層次的控制,如優化控制、自適應控制和智能控制等.因此,焊接過程中一些關鍵因素的檢測和更高層次的檢測將是今后較長一段時間的主攻目標.

    1.2.2特種材料的精確焊接

    利用激光可以焊接一般方法難以焊接的高熔點金屬以及非金屬材料.因此,特種材料,如鋯合金、鎢合金、鉬合金和復合材料等的焊接工藝,將成為下一階段的重要研究內容.

    2激光加工設備

    2.1精確加工對激光器的性能要求與發展趨勢

    2.1.1輸出功率

    不同的加工工藝,對激光功率的要求不同,大量研究和應用實踐證明,用于切割的激光器,其功率不需超過2kW,用于焊接和表面處理的激光器,其最大功率也不需超過10kW,過高的功率要求既不經濟也沒有必要,重要的是輸出功率的穩定性,它是進行精確加工的基礎.國際上先進的大功率CO2激光器,長時間工作時的輸出功率波動已達0.5%以下,正向更高的輸出穩定性發展.國產大功率CO2激光器的不穩定性約為5%～10%.需從器件、結構、激勵方式等幾方面進行研究和開發,以努力提高穩定性.若在已能制備萬瓦級激光器的基礎上,再花大量工作發展更高功率的激光器是不合適的.

    2.1.2光束模式

    精確加工,無論是打孔、切割還是焊接,都要求激光器輸出接近基模的理想模式.功率要求不高,一般在115kW以下,但往往要求與脈沖和連續可調的輸出方法相配合.功率在5kW以上的激光器,其主要用途是中厚板焊接和表面處理,適合的光束模式是多模或低階模.國際上先進的激光器,5kW以下已能輸出基模,而國產激光器,1kW以下還達不到基模輸出.因此,國產激光器在精確打孔、切割和薄板焊接領域中的應用受到嚴重的限制.研究開發基模輸出的激光器是發展我國精確激光加工的當務之急[13～14].

    2.2發展國產高質量激光器的研究方向

    2.2.1快速軸流換熱

    實踐證明,快速軸流換熱是實現CO2激光大功率、高質量光束和高電—光轉換效率的有效途徑.對功率為1～10kW的激光器,快速軸流換熱目前看來是最佳的換熱方式,我們國家的激光器應盡快開發并采用這種方式.

    2.2.2高頻(射頻)激勵

    射頻激勵方式因其放電穩定,注入功率密度高,為制造結構緊湊的激光器提供了條件.目前國際上出現的射頻激勵樣機,已可以把輸出功率為1kW的激光器做到不足30kg重,可由機器人來夾持進行各種加工,給利用激光器進行復雜形體的精確加工創造了極為有利的條件,這是一個非常引人注目的發展方向.綜合以上分析,激光加工技術無論在今后的一段時間里都會有很大的發展.根據國外發展的動向和我國的實情,應該重點開發研究的是表面處理、精確焊接和高質量的激光器.它們的發展水平直接制約著整個激光加工技術的工藝水平和應用范圍.激光加工的主要應用領域應該是汽車/機械制造行業,而在汽車/機械制造行業中的應用則要求有很高的工藝水平和裝備水平.