激光在制造業(yè)中發(fā)揮新的作用

    采用激光技術(shù)替代傳統(tǒng)的表面處理方法，可以延長刀具壽命并提高刀具和零件性能。

    用激光光束往表面層摻入合金材料可以改變表面的化學(xué)成份及其特性。當(dāng)前，激光表面處理主要應(yīng)用于制造工具，特別是制造用于鍛造和壓力鑄造的模具。借助理論上的熱化學(xué)模型，工程師們已經(jīng)開發(fā)了用于工具和零件的新的表面層。

    例如擠壓模具在高溫條件下，由于時間接觸長，它們會產(chǎn)生較大的應(yīng)變。而給某個工具摻入相和釩的碳化物后，使工具的表面改性，提高了它的硬度保持能力，提高了高溫下的硬度和改善了耐磨損的能力。其它合金，包括那些含鎢和鉆的合金，也非常有用。一般來說，利用激光光束摻入合金的方法，可以使工具壽命比采用傳統(tǒng)方法提高100％-500％，由于降低了占用工具及更換工具有關(guān)的成本，從而節(jié)省了費(fèi)用。

    激光表面處理技術(shù)還可以增強(qiáng)產(chǎn)品零件的性能。Fraunhofer研究所的研究者們利用激光來硬化密封表面和滑動導(dǎo)軌，凸輪軸的激光表面重熔以及包覆內(nèi)燃機(jī)的閥門和閥座。激光可以用于硬化、重熔化、摻雜合金和涂覆金屬，為表面外層進(jìn)行熱化學(xué)的改性處理創(chuàng)造了很多機(jī)會。通過這種改性處理生產(chǎn)的工件，具備更高的承受各種應(yīng)力的能力。激光光束可以聚焦、并精確定位，這一特點(diǎn)使激光技術(shù)適于局部化的表面處理加工。使用者可以有選擇地處理易磨損的區(qū)域，同時還具有較高的復(fù)現(xiàn)性。

    利用激光技術(shù)，工程師們可以加工出最佳的表面外形結(jié)構(gòu)(toPograhy)，尤其是用于軸承和密封行業(yè)中的產(chǎn)品上。在這種相對較新的應(yīng)用中，脈沖激光光束可以在經(jīng)受摩擦應(yīng)力的作用表面，產(chǎn)生規(guī)定的微型潤滑孔隙。用這種方式產(chǎn)生的彈坑狀結(jié)構(gòu)主要是受激光光束達(dá)到工件表面上的幾何形狀以及強(qiáng)度分配的影響。

    大體上，任何帶有接觸表面的系統(tǒng)都會發(fā)生摩擦應(yīng)變，例如浮動圈等，可以采用諸如高級陶瓷或金屬等材料制成激光構(gòu)成件。激光改性的功能表面主要是微細(xì)臺階組成的區(qū)域，帶有重現(xiàn)性的、有規(guī)則的均勻微型潤滑子L隙。用戶可以讓這些孔的直徑、深度以及分布與加在零件上的負(fù)載相適應(yīng)。例如對于陶瓷滑動環(huán)密封，尺寸恰當(dāng)并分布恰當(dāng)?shù)陌纪裹c(diǎn)可大大降低摩擦及磨損。在此過程中的加工速度取決于激光的種類，一般為每秒1000個孔。

    工業(yè)上已經(jīng)采用CO。以及NdzYAG大功率激光作為加工手段。但由于激光和激光系統(tǒng)很復(fù)雜、成本高，還涉及尺寸方面的問題，小型公司難以采用激光加工。也許這種情形不久會發(fā)生改觀。

    最初，二極管激光器提供小于50W的輸出功率。材料處理(釬焊、雕刻、表面硬化以及塑性或?qū)岷附樱┧枰墓β剩@然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出該數(shù)值。大功率二極管激光器(HPDL)，將高性能與緊湊的結(jié)構(gòu)結(jié)合為一體。它們由大量的單個二極管組成，這些二極管層迭在一個鞋盒般大小的外殼里。功率累積值(最大為2．5kW)以及光束質(zhì)量足以進(jìn)行材料處理。Fraunhofer研究所用HPDL進(jìn)行的測試表明，它可以硬化經(jīng)回火的鋼以及焊接鋼板和銅板。

    一個HDPL能發(fā)射0．84μm—0．94μm波長的光，而C04)激光器在10．6μm的波長上操作，Nd：YAG激光器在1．064μm的波長上操作。由于波長較短，因此，從HDPL提供的能量與從其它激光器發(fā)出的光相比，其能量更易被目標(biāo)所吸收。亞琛市Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所的研究者們按照工業(yè)研究合同已經(jīng)在機(jī)床、制造機(jī)械以及機(jī)器人上集成裝入了三種不同的HDPL(功率范圍高達(dá)2．5kW)進(jìn)行工業(yè)研究。

    利用激光二極管進(jìn)行焊接，可為用戶提供較好的靈活性以及成本效益。對被接合零件的幾何形狀與尺寸沒有限制，焊接速度高達(dá)1．0m／min。

    激光幾乎可以焊接各種熱塑件。這種工藝可以避免粘接問題，因?yàn)榕c工件不接觸。此外，激光焊接還減少了塑料上的熱負(fù)載，降低了可能出現(xiàn)的脹裂。許多用肉眼看來呈現(xiàn)出五顏六色的顏料，對近紅外光而言是透明的(包括黑色)，HPDL可以對帶有這類顏色的塑料進(jìn)行焊接。實(shí)驗(yàn)表明，用二極管激光器進(jìn)行的焊接、其強(qiáng)度可以與采用較傳統(tǒng)的塑料焊接技術(shù)所牛成的強(qiáng)度娘美。

    受控的金屬堆積(CMB)工藝將激光沉積焊接與高速銑削結(jié)合為一體。通過激光沉積焊接工序?？梢陨山咏善沸螤畹慕饘俨牧隙逊e。由于金屬粉木在高能量的激光光束中保持在—個規(guī)定的路徑上，因此，系統(tǒng)可以一個路徑接著一個路徑地組構(gòu)某個零件、直至達(dá)到所需要的輪廓為止。要生成一個空隙、僅需短時中斷激光光束和粉末進(jìn)給即可。

    該技術(shù)采用的是熔融金屬。因而在工具表面出現(xiàn)堆積，在工具的拐角和邊緣會形成圓邊。

    為處理這種情況，F(xiàn)raunhofer研究所(與一家德國機(jī)床廠合作)制作了一臺機(jī)床，它將高速銑削與沉積加工結(jié)合為一體。通過銑削加工出一個平整表面，以確保材料沉積均勻，與邊緣的尖銳度以及零件的形狀和尺寸精度符合要求。所有的操作全部由—臺機(jī)床完成，因此操作員可以安排好工藝步驟使機(jī)床自動運(yùn)行。在銑削過程中，激光沉積焊接噴嘴自動地積出加工區(qū)，以免發(fā)生碰撞危險(xiǎn)，并保護(hù)刀具和零件不受切屑影響。

    原則上，用戶可以采用任何能焊接的金屬進(jìn)行CMB工藝，從鋼、銅到硬合金材料。銅電極可以采用CMB工藝自動制作，而以前只用耐磨保護(hù)層材料能夠用來制作整個零件。

    加工的沉積層只有十分之幾mm厚。由于在生成每一層之后，隨之進(jìn)行的是輪廓銑削，因此，銑削刀具的突出長度小于2mm，接下來、可以采用直徑小于1mm的銑刀進(jìn)行加工。利用這些小型切削刀具，可以形成窄而深的溝槽、其拐角半徑保持在噴射注塑模具許可的范圍內(nèi)。

    激光輔助的熱態(tài)加工(LAM)是面向材料的，在經(jīng)濟(jì)上也可行的。激光加工與車削、銑削以及旋壓成形法相結(jié)合、能優(yōu)化難切削和難成形材料的加工。

    在激光輔助的熱加上和旋壓成形加工中，由激光系統(tǒng)在切削或成形操作中對材料進(jìn)行局部加熱。溫度的上升會軟化材料、使它較易加工并成形。研究者在鈦、灰鑄鐵以及高強(qiáng)度鋼上進(jìn)行了激光鋪助的銑削操作、發(fā)現(xiàn)銑削力下降了30%-70%(用高速鋼)、刀具磨損下降了約90%。在某此情況卜、激光輔助加工可以大大提高銑削速度。

    在需要切削加工高級陶瓷時，采用熱態(tài)加工方式可以使加工過程變得比較容易。氮化硅陶瓷、以前只能用幾何形狀不確定的切削刀進(jìn)行加工，如今卻可以用LAM工藝進(jìn)行車削加工。利用現(xiàn)有技術(shù)和機(jī)床，用戶已經(jīng)可以車削加工材料為氮硅陶瓷的復(fù)雜形狀零件，并獲得高達(dá)Ra0．3μm的表面粗糙度。這些系統(tǒng)是在車床上裝入一臺3kWNd：YAG激光器、或是—臺1．2kW的高功率二極管激光器集成而成。

    通過與相關(guān)行業(yè)進(jìn)行通力合作、并得到德國政府基金支持，F(xiàn)raunhofer研究所已經(jīng)開發(fā)和制造了—臺集：成有一套HPDL(高功率二極管激光器的精密車削機(jī)床樣機(jī)。第一臺具備完全的工業(yè)功能的機(jī)床會在1999年上市。

    在分割和旋壓車削加工中，由一臺集成在旋壓車床上的激光器在成形操作中可有選擇地加熱半成品。該加熱過程提高了溫度和成形速度、降低了應(yīng)變硬化。激光輔助旋壓成形加工降低了所需要的成形力、從而導(dǎo)致較低的材料硬化程度。

    激光輔助旋壓成形加工法、可以在—個裝夾位置上，不采用退火工序的情況下，在對稱的回轉(zhuǎn)體零件上生成內(nèi)、外齒、成形輪廓以及復(fù)雜的幾何形狀。它可以避免采用成本高昂的切削過程，節(jié)省了材料，并制作出重量輕、具有優(yōu)良強(qiáng)度性能的功能部件。

    激光彎制工件過程，是一種新的具有多們性的工藝，無須采用任何成形工具。利用有產(chǎn)生反彈效應(yīng)的非接觸式激光加工工藝，可以完成許多成形任務(wù)，在包括金屬板材的彎制過程中，零件中的溫度變化梯度會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，由此產(chǎn)生受控的塑性變形。激光彎制工藝，適于制作樣件和進(jìn)行小批量生產(chǎn)，目前，在Fraunhofer研究所正處于實(shí)驗(yàn)研究階段。

    汽車行業(yè)對定制焊接坯件的需求正呈不斷上升之勢。為了更好地贏得競爭，銷售商們需要一種成本效益較高的系統(tǒng)。激光坯件焊接系統(tǒng)的一般廢品率處于3%-4%之間。利用激光器來切割坯件，可以提高焊接速度并保證完美的間隙配合。

    將一臺邊緣制備單元集成裝入焊接生產(chǎn)線中，可以將典型的車身側(cè)面焊接循環(huán)時間降低到32s，將門內(nèi)裝飾件焊接循環(huán)時間降低至14s。焊接一個車身側(cè)面的估計(jì)成本為3美元，焊接一個門內(nèi)裝飾件的估計(jì)成本為2美元。另外還有一個好處是，這樣一個系統(tǒng)在對裝惡化具和焊接過程進(jìn)行必要的修改之后，既可焊接鋼質(zhì)坯件，也可以焊接鋁材坯件。