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(zhǎng)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(shí)間接觸長(zhǎng)，它們會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)變。而給某個(gè)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(lái)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(lái)硬化密封表面和滑動(dòng)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(huì)。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(shí)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(duì)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(rùn)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(huì)發(fā)生摩擦應(yīng)變，例如浮動(dòng)圈等，可以采用諸如高級(jí)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(tái)階組成的區(qū)域，帶有重現(xiàn)性的、有規(guī)則的均勻微型潤(rùn)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(duì)于陶瓷滑動(dòng)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(gè)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(huì)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(gè)二極管組成，這些二極管層迭在一個(gè)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(cè)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(gè)HDPL能發(fā)射0．84μm—0．94μm波長(zhǎng)的光，而C04)激光器在10．6μm的波長(zhǎng)上操作，Nd：YAG激光器在1．064μm的波長(zhǎng)上操作。由于波長(zhǎng)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(duì)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(lái)呈現(xiàn)出五顏六色的顏料，對(duì)近紅外光而言是透明的(包括黑色)，HPDL可以對(duì)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(gè)規(guī)定的路徑上，因此，系統(tǒng)可以一個(gè)路徑接著一個(gè)路徑地組構(gòu)某個(gè)零件、直至達(dá)到所需要的輪廓為止。要生成一個(gè)空隙、僅需短時(shí)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(huì)形成圓邊。

    為處理這種情況，F(xiàn)raunhofer研究所(與一家德國(guó)機(jī)床廠合作)制作了一臺(tái)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(gè)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(tái)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(dòng)運(yùn)行。在銑削過程中，激光沉積焊接噴嘴自動(dòng)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(dòng)制作，而以前只用耐磨保護(hù)層材料能夠用來(lái)制作整個(gè)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(zhǎng)度小于2mm，接下來(lái)、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(duì)材料進(jìn)行局部加熱。溫度的上升會(huì)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(jí)陶瓷時(shí)，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(tái)3kWNd：YAG激光器、或是—臺(tái)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(guó)政府基金支持，F(xiàn)raunhofer研究所已經(jīng)開發(fā)和制造了—臺(tái)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(tái)具備完全的工業(yè)功能的機(jī)床會(huì)在1999年上市。

    在分割和旋壓車削加工中，由一臺(tái)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(gè)裝夾位置上，不采用退火工序的情況下，在對(duì)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(wú)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(huì)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(duì)定制焊接坯件的需求正呈不斷上升之勢(shì)。為了更好地贏得競(jìng)爭(zhēng)，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(lái)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(tái)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(shí)間降低到32s，將門內(nèi)裝飾件焊接循環(huán)時(shí)間降低至14s。焊接一個(gè)車身側(cè)面的估計(jì)成本為3美元，焊接一個(gè)門內(nèi)裝飾件的估計(jì)成本為2美元。另外還有一個(gè)好處是，這樣一個(gè)系統(tǒng)在對(duì)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。