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解決方案

激光技術(shù)在材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展

來(lái)源:李蘇 、張占輝 、韓善果 、任香會(huì) 、劉丹、辛楊桂、高世一2021-03-01 我要評(píng)論(0 )   

近年來(lái)隨著超快光學(xué)、光纖激光器及大功率激光 器的迅速發(fā)展,激光技術(shù)在輸出功率、加工效率、精 度和質(zhì)量等方面都得到了完善提升,進(jìn)一步加深了激 光技術(shù)在材料加工、光...

近年來(lái)隨著超快光學(xué)、光纖激光器及大功率激光 器的迅速發(fā)展,激光技術(shù)在輸出功率、加工效率、精 度和質(zhì)量等方面都得到了完善提升,進(jìn)一步加深了激 光技術(shù)在材料加工、光電檢測(cè)、高速通信、生物醫(yī)療、 國(guó)防工業(yè)等眾多領(lǐng)域的發(fā)展,促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù) 革新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。激光技術(shù)本質(zhì)上是融合光學(xué)、 機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)等學(xué)科為一體的高新技術(shù), 因其具備高單色性、相關(guān)性及平行性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),且 有著極好的空間和時(shí)間控制性能,其應(yīng)用領(lǐng)域范圍不斷擴(kuò)展。

激光技術(shù)在材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用頗為廣泛,應(yīng)用 的工業(yè)激光器主要有 CO2 激光器、Nd: YAG 激光器、 光纖激光器、碟片激光器和半導(dǎo)體激光器,目前交付 使用的高功率高光束質(zhì)量光纖激光和碟片激光器最 大輸出功率高達(dá) 100 kW,軸快流 CO2 激光器最大功 率為 20 kW,研制的新一代二極管泵浦金固態(tài)激光 器,具有極高的能量轉(zhuǎn)換效率,且體積小,波長(zhǎng)短, 使用更方便。 
1 、激光加工技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì) 
通常將應(yīng)用到材料加工領(lǐng)域的激光技術(shù)稱為激 光加工技術(shù),因激光可精確聚焦至微米級(jí),能量密度 高(可達(dá) 105 ~1015 W/cm2 ),因此激光加工技術(shù)可對(duì) 新型材料、復(fù)合材料、金屬化合物以及非金屬材料等 進(jìn)行高效、高質(zhì)、高水平加工,且加工過程中對(duì)材料 的損傷程度低[11]。激光加工技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):① 工藝集成性強(qiáng),材料加工步驟繁瑣,包括打磨、 切割、打孔、焊接等多道工序,普通技術(shù)加工耗時(shí)長(zhǎng), 且容易浪費(fèi)資源,激光加工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在同一臺(tái)設(shè)備 完成多種加工工藝,從而大大提升工作效率,提升經(jīng) 濟(jì)效益;
② 材料適用范圍廣,激光加工技術(shù)可對(duì)不 同種類材料加工,既可對(duì)硬質(zhì)合金材料、耐熱合金材 料等高強(qiáng)度、高硬度、高熔點(diǎn)的金屬材料加工,又可 加工高硬度、脆性大的非金屬材料,如寶石、陶瓷、 玻璃等,同時(shí)激光加工技術(shù)對(duì)工作環(huán)境要求比較低, 可以在大氣、真空甚至個(gè)別特殊極端工作環(huán)境下工 作;
③ 加工精度及效率高,由于激光的能量密度高, 可瞬時(shí)完成加工任務(wù),因此熱影響區(qū)小,同時(shí)加工方 式為非接觸式,工件變形小,能夠極大保證加工質(zhì)量, 降低加工成本。 
2 、激光技術(shù)在材料加工領(lǐng)域的典型應(yīng)用
2.1 激光切割技術(shù) 激光切割是利用高能量密度的激光束加熱工件, 使工件材料在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到熔點(diǎn)或沸點(diǎn),通過輔助 氣體吹走切割縫內(nèi)的熔渣,達(dá)到切割的目的。激光切 割通用性強(qiáng),可以對(duì)新型材料、金屬材料、玻璃和半 導(dǎo)體等脆性材料進(jìn)行精準(zhǔn)切割,且加工后工件熱影響 和材料變形小,切割后的工件可直接使用無(wú)需二次加 工。相比與傳統(tǒng)切割技術(shù),激光切割過程噪音較小, 且能節(jié)省 15%~30%的原材料。隨著激光技術(shù)的日臻 成熟,超快激光可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)加工精度,表面粗糙度 可達(dá)到或優(yōu)于 Ra0.4 μm。激光切割技術(shù)與機(jī)器人、計(jì) 算機(jī)軟硬件相結(jié)合,向智能制造發(fā)展,能實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo) 聯(lián)動(dòng),完成復(fù)雜工件的精準(zhǔn)高效切割。目前國(guó)內(nèi)外汽車制造企業(yè)大量引入激光切割技術(shù),使汽車安全性 能得到進(jìn)一步提升。圖 1 所示為激光切割在材料加 工領(lǐng)域的應(yīng)用。目前,在切割金屬薄板方面,光纖激 光器的應(yīng)用最為廣泛,其切割效率和切割質(zhì)量均具有 顯著優(yōu)勢(shì)。
圖片
 在金屬材料激光切割方面以高速飛行器尾翼不同厚度的 Q235 鋼板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,進(jìn)行激 光切割工藝試驗(yàn),研究表明隨切割速度與輔助氣壓的增大,切縫表面質(zhì)量整體呈先升高后降低的趨勢(shì), 與鋼板厚度無(wú)明顯關(guān)系。對(duì) 0.8 mm 和 1.6 mm 的 TC4 鈦合金民用大飛機(jī)蒙皮板材進(jìn)行激光切割工藝試驗(yàn)表明,切割速度是影響切割質(zhì) 量的主要因素,熱影響區(qū)深度受切割工藝的影響較 大,熱影響區(qū)深度越深,材料的拉伸性能越差,試 樣斷口形貌屬于塑性斷裂。針對(duì) 8 mm 厚 AA2219 鋁合金開展了光纖激光切割工藝實(shí)驗(yàn)表明,激光功率和輔助氣壓是影響切縫質(zhì)量的 最主要工藝參數(shù),當(dāng)激光功率增大至 5.4 kW、輔助氣壓取值范圍增大至 1100~1500 kPa 時(shí),切縫掛渣 量最少。在非金屬材料激光切割方面,將 355 nm 的納秒激光器和 1064 nm 的皮秒激光器用于藍(lán)寶石 的切割實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明用納秒激光器在紫外波段對(duì)藍(lán)寶石基片造成損傷的峰值功率密度閾值為 0.5× 109 W/cm2 ,加工效率低且存在明顯的熱效應(yīng),而脈寬為 15 ps 的皮秒激光對(duì)藍(lán)寶石基片造成損傷的峰值 功率密度閾值為 0.5×1012 W/cm2 ,加工幾乎不產(chǎn)生熱 效應(yīng),切割質(zhì)量?jī)?yōu)。圖 2 為通過皮秒激光對(duì) 0.55 mm 的藍(lán)寶石進(jìn)行高質(zhì)量的分層掃描切割。用紅外皮秒激光加工 CFRP 炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,將 材料的熱損傷降到了 5 μm,并發(fā)現(xiàn) HAZ 會(huì)隨著激光 平均功率的增大,先減小再增大;

圖片

HAZ 隨脈沖重復(fù)頻率的增加而增大;HAZ 隨掃描速度的增大逐漸減 小,最后 HAZ 會(huì)逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值。針對(duì)低溫共燒陶瓷 Ferro A6M LTCC 基板進(jìn)行激光切割工藝研究表明當(dāng)激光參數(shù)設(shè)置為空占比為 30%,頻率為 10 kHz,速度為 4 mm/s 時(shí),得到的切割效果較好。在切割工藝對(duì)切割質(zhì)量的影響因素方面,通過國(guó)志激光 YMM-12000 光纖激光器對(duì) 20 mm 厚的 Q235b 鋼板進(jìn)行切割工藝實(shí)驗(yàn),表明影響切割 質(zhì)量的主要工藝參數(shù)為激光功率和輔助氣壓,當(dāng)激光功率增大到 4 kW,輔助氣壓取值范圍增大到 1400~ 1500 kPa 時(shí),切縫掛渣量最少。對(duì) 1.7 mm 厚飛機(jī)鈦合金蒙皮材料進(jìn)行激光切割實(shí)驗(yàn),當(dāng)激光功率為 1000 W,輔助氣壓為 1.2 MPa、切割速度為 3000 mm/min 時(shí),切割面粗糙度最小,激光切割提高 了切面的硬度。以 Kapton 復(fù)合膠膜為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行激光切割實(shí)驗(yàn),得到最優(yōu)工藝參數(shù)為噴嘴走速為 80 mm/s,激光功率為 70%,激光頻率為 6500 kHz,伺服電機(jī)加速度為 450 mm/s2 ,工藝改進(jìn)后激光切割 Kapton 復(fù)合膠膜孔切透率由原有的 9%提 升至 97.4%。

激光加工技術(shù)的應(yīng)用展望 

激光加工技術(shù)有著傳統(tǒng)加工技術(shù)無(wú)法比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),同時(shí)其符合當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè),實(shí)現(xiàn)綠色與可持續(xù)發(fā)展的要求,具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市 場(chǎng)。隨著激光加工技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,仍存在 一些關(guān)鍵問題亟待解決,如激光設(shè)備的成本普遍偏高, 專門針對(duì)激光增材制造的金屬粉末開發(fā)不足,表面改性的激光加工工藝研究有待進(jìn)一步深入等,因此針對(duì) 上述問題開展技術(shù)研究,將促使激光加工技術(shù)更好應(yīng) 用于材料加工領(lǐng)域,從而助力中國(guó)制造業(yè)快速發(fā)展。


             


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激光技術(shù)材料加工
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