摘要:介紹了激光加工技術(shù)的工藝和設(shè)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(shù),并指出了這些領(lǐng)域的重點研究方向.表面處理技術(shù)主要介紹了快速凝固條件下非常規(guī)成分新合金以及金屬/陶瓷復(fù)合材料的合成和表征;激光焊接技術(shù)主要介紹了焊接過程和焊接質(zhì)量的檢測與控制以及特種材料的精確焊接.在激光加工設(shè)備內(nèi)容中,主要介紹了材料精確加工對激光器的性能要求和發(fā)展趨勢,并提出了國產(chǎn)高質(zhì)量激光器的研究方向.
關(guān)鍵詞:激光加工;表面處理;焊接;設(shè)備
中圖分類號:TG146.2文獻標(biāo)識碼:A
    激光加工技術(shù)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(shù).在過去的近30年時間里,激光加工技術(shù)得到了異常迅速的發(fā)展,不僅形成了集光、機、電、計算機、材料、物理、化學(xué)等多門學(xué)科于一體的綜合性交叉學(xué)科,而且得到了廣泛的工業(yè)運用,并已形成一個高新技術(shù)產(chǎn)業(yè).激光加工工藝(軟件)和激光加工設(shè)備(硬件)兩個方面的研究進展直接決定了這一新學(xué)科和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(lǐng)域中最為活躍的研究方向,發(fā)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(shù)已趨向成熟并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化.合金化和熔覆工藝無論對基體材料的適應(yīng)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(fā)展前景更為廣闊.以下一些研究方向?qū)⒊蔀榻窈蟮难芯繜狳c和技術(shù)進展的關(guān)鍵.
1.1.1非常規(guī)成分新合金表層的合成及其組織、結(jié)構(gòu)和性能與成分和工藝間的關(guān)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(guī)條件下的溶解度和平衡相圖所確定的相規(guī)律限制的新合金,乃至非晶態(tài)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(guī)成分合金的工藝,可能會給金屬材料表面處理技術(shù)的發(fā)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(guān)系將是重要的研究課題[5～12].
1.1.2金屬/陶瓷復(fù)合材料的表面原位合成及其結(jié)構(gòu)
    與性能設(shè)計作為金屬基復(fù)合材料主體的金屬/陶瓷復(fù)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(guān)金屬基復(fù)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(chǎn)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(qū)形成顆粒增強復(fù)合材料的工作已經(jīng)取得一定的進展,這種方法為材料表面的組織結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計提供了有效的途徑.合成工藝、結(jié)構(gòu)選擇和性能設(shè)計將是研究的重點.
1.1.3處理過程中熱場和應(yīng)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(xiàn)校形.因此,處理過程中熱場、應(yīng)力場模擬和由此產(chǎn)生的變形預(yù)測,將是實現(xiàn)變形控制和校形的關(guān)鍵.
1.2激光焊接
    在機械工業(yè)中得到日益廣泛應(yīng)用的激光焊接是大功率所產(chǎn)生的小孔效應(yīng)基礎(chǔ)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(qū)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(yīng)用.以下幾方面的研究進展將決定激光焊接的技術(shù)水平和應(yīng)用范圍.
1.2.1焊接過程和焊接質(zhì)量的檢測與控制
    影響激光焊接質(zhì)量的因素包括激光功率、聚焦?fàn)顟B(tài)、等離子體狀態(tài)、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(shù),如等離子體狀態(tài)、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(huán)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(yōu)化控制、自適應(yīng)控制和智能控制等.因此,焊接過程中一些關(guān)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(biāo).
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(fù)合材料等的焊接工藝,將成為下一階段的重要研究內(nèi)容.
2激光加工設(shè)備 
2.1精確加工對激光器的性能要求與發(fā)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(yīng)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(jīng)濟也沒有必要,重要的是輸出功率的穩(wěn)定性,它是進行精確加工的基礎(chǔ).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(wěn)定性發(fā)展.國產(chǎn)大功率CO2激光器的不穩(wěn)定性約為5%～10%.需從器件、結(jié)構(gòu)、激勵方式等幾方面進行研究和開發(fā),以努力提高穩(wěn)定性.若在已能制備萬瓦級激光器的基礎(chǔ)上,再花大量工作發(fā)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(xù)可調(diào)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�；虻碗A模.國際上先進的激光器,5kW以下已能輸出基模,而國產(chǎn)激光器,1kW以下還達不到基模輸出.因此,國產(chǎn)激光器在精確打孔、切割和薄板焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用受到嚴重的限制.研究開發(fā)基模輸出的激光器是發(fā)展我國精確激光加工的當(dāng)務(wù)之急[13～14].
2.2發(fā)展國產(chǎn)高質(zhì)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(xiàn)CO2激光大功率、高質(zhì)量光束和高電—光轉(zhuǎn)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(yīng)盡快開發(fā)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(wěn)定,注入功率密度高,為制造結(jié)構(gòu)緊湊的激光器提供了條件.目前國際上出現(xiàn)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(fù)雜形體的精確加工創(chuàng)造了極為有利的條件,這是一個非常引人注目的發(fā)展方向.綜合以上分析,激光加工技術(shù)無論在今后的一段時間里都會有很大的發(fā)展.根據(jù)國外發(fā)展的動向和我國的實情,應(yīng)該重點開發(fā)研究的是表面處理、精確焊接和高質(zhì)量的激光器.它們的發(fā)展水平直接制約著整個激光加工技術(shù)的工藝水平和應(yīng)用范圍.激光加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)該是汽車/機械制造行業(yè),而在汽車/機械制造行業(yè)中的應(yīng)用則要求有很高的工藝水平和裝備水平.