激光加工技术的优势及在工业生产中的应用

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提要：本文介绍了国家产学研激光技术中心(NCLT)过去和目前在激光技术研究中的一些成果，这些技术如激光熔覆、激光焊接、激光切割等在中国的企业中已有应用。
　　关键词：激光熔覆，激光焊接，激光切割，激光加工应用

Advantage of the laser processing technology and the application in industry
Zuo Tiechuan　Shi Dingyuan　Chen Kai
(National Center of Laser Technology,Beijing Polytechnic University,Beijing　210094)

Abstract:To give a introduction about the achievements of National Center of Laser Technology,Beijing Polytchnic University(NCLT) on the research referred to laser technology till now and some of them such as laser cladding,laser welding,laser cutting and the application of laser processing have been made their application in the enterprises of China.
Key words:laser cladding,laser welding,laser cutting,application of laser processing

1　前言
　　在工业发达国家，激光切割和激光焊接技术已在工业界得到广泛应用，在一些加工领域显示出明显的优势性，并投入生产应用〔1，2〕。除激光切割和激光焊接外，激光表面工程、激光快速成型、激光微处理等技术目前都在工业生产中得到应用。而新开发的激光技术在加工范围和制造方法等方面也必将产生新的技术应用。这些成功的应用可以帮助企业发展高新技术产品，并提高自身市场的竞争能力。
　　本文回顾了国家产学研激光技术中心，在中国工业领域开展的激光加工的技术应用，对于企业由于国民经济和环境保护政策的调整，更应强调降低现存或新系统的使用成本。最后应说明，绝大多数的激光材料加工课题都将激光加工技术作为传统技术的特殊应用或替换进行开发和论证。
2　激光技术及应用
2.1　激光熔覆
　　激光熔覆是提高材料抗腐蚀性和形成抗磨损表面的先进方法。该技术通过材料自身快速凝固和高浓度的有效元素形成高性能的熔覆层，同时该熔覆层与基体形成冶金结合。因此该技术尤其适合工件局部表面的增性和修复。
　　激光技术中心所做的一个典型项目为直接在Al－Si合金阀座圆柱头内部进行熔覆。图1显示了Al－Si合金试件的熔覆结果。直接在Al－Si合金阀座圆柱头内部进行熔覆将产生一项技术革新以替代目前传统的用烧结合金热压合到圆柱头生产阀座的方法。利用激光熔覆的阀座有很多优点，如降低废品率，提高发动机性能，减小阀和座的温度形变。图2所示的垂直于表面的多层螺旋状熔覆层展示了激光技术快速成型和三维加工的潜力。

图1　激光熔覆阀座

图2　激光多层熔覆螺旋线

2.2　激光焊接
2.2.1　大板拼接焊
　　近几年，大板拼接焊(TWBs)已在北美，欧洲和日本广泛用于汽车制造业，并且已出现了为汽车制造商提供拼接大板的供应商。但直到现在中国仍然未将大板拼接焊用于汽车工业。国家产学研激光技术中心决定承担将该技术引入中国汽车业的责任。目前该项目与宝山钢铁公司合作，该厂提供了中国汽车制造厂家的大部分优质汽车钢板。
　　拼接的大板可由不同强度、厚度和表面覆层的钢板组成，它们通过焊接合成集成钢板，如图3a所示。这种大板拼接焊可以提高材料屈服强度，减少合成板的重量，通过选择最适宜的材料增强结构刚性，降低压模种类和数量。
　　大板拼接既可用激光焊接也可用电阻焊电弧焊，而激光焊接由于其高效性和灵活性正在成为世界范围内的首选方法。目前世界所有大板拼接焊生产线所用的大板都由精轧机剪切而成，精轧机价格约为1亿人民币，这对于象中国这样的发展中国家是非常昂贵的。因此我们采用了激光切割大板的方法替代精轧机的剪切工艺并获得成功。图4分别展示了用激光切割和精轧机剪切得到的不同厚度的拼接大板速度比剪切的大板速度约快15%。在这项工程中只有一台大功率激光加工系统，但同时承担了激光切割和拼接的两个过程，这就可以节省了精轧机的设备投资。

3a　　　　　3b

　　图3a　不同厚度大板拼接焊设计模型　3b　用大板拼接焊形成一个大板

4a　　　　　4b

　图4　不同方式裁剪大板的拼接焊截面　4a　激光切割大板　4b　剪切大板　　

2.2.2　防爆圈
　　防爆圈为一矩形钢条环绕固定在彩色显象管的玻璃管四周，是彩色显象管的一个重要部件。它的主要作用是固定彩显在电视塑料外壳的位置，给玻璃管以适当的压力和当彩显爆炸时限制玻璃碎片的飞出距离。目前防爆圈生产线的过程是冲压环圈和固定焊接平台，并用电阻点焊完成整个生产流程，其存在生产效率低、材料浪费、生产周期长等缺点。国家产学研激光技术中心采用先进的激光技术替代原有工艺解决了这些问题。图5中左侧为激光切割和激光冲压焊的产品，右侧为传统工艺生产产品。

图5　激光焊接防爆圈(左)和电阻点焊防爆圈(右)的产品比较

2.3　激光三维切割
　　在激光技术的发展中，激光切割是首先应用于工业的可靠加工手段。而现在三维切割也正逐步走向工业化。如图6所示，在钢管上切出的一个复杂汉字。三维切割过程首先要将图案用专用图形软件绘制成形，然后再将其转化为激光系统的控制语言去执行。这一例展示了激光三维切割复杂形状工件的潜力。

图6a　激光在钢管上切割汉字图6b　切割完成的试件

　　激光三维加工的工业应用是与一汽集团在“红旗”轿车的加长车型的合作项目中使用的。根据实际方案，首先将普通型车体切开，然后在切开的车体中间加入新部件，最后新车体的顶部由三维激光焊接而成。图7中正用Nd:YAG激光器和六轴联动机器手切割汽车顶棚。由于该激光器和机器手通过光纤连接，可以灵活的进行加工操作，因此这两套设备的组合将是三维激光加工应用的有力工具。国家产学研激光中心今后将帮助企业迎接时代的新挑战。

图7　激光三维切割汽车顶棚