激光加工就是利用其所具有的输出光线的高指向性和高能量，进行微小孔及狭缝等的精密加工、切割、微细焊接等。下面是我整理了激光加工技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!
谈机械制造激光加工技术
摘要：激光加工就是利用其所具有的输出光线的高指向性和高能量，进行微小孔及狭缝等的精密加工、切割、微细焊接等。激光有固体激光、液体激光和气体激光等。目前，作为加工用的以固体激光为最好。
关键词：机械 制造 激光 加工 技术
激光是通过入射光子使亚稳态高能级的原子、离子或分子跃迁到低能级受激幅射(不是自发幅射)时发出的光，也可解释为“光受激幅射后发射加强”。它是由于受激发射的发光放大现象。激光具有单色性好、方向性强、能量高度集中等特性，因此在军事、工农业生产和科学研究的很多领域中得到了广泛应用。激光加工就是利用其所具有的输出光线的高指向性和高能量，进行微小孔及狭缝等的精密加工、切割、微细焊接等。激光有固体激光、液体激光和气体激光等。目前，作为加工用的以固体激光为最好。
激光加工具有以下特点：激光加工不需要加工工具，所以不存在工具损耗问题,很适宜自动化连续操作，可以在大气中进行。功率密度高，几乎能加工所有的材料，如果是透明材料(如玻璃)，只要采取一些色化和打毛 措施 ，仍可加工。加工速度快，效率高，热影响区小。因不需要工具，又能聚焦成极细的光束，所以能加工深而小的微孔和窄缝(直径可小至几微米，深径比可达10以上)，适合于精微加工。可通过透明材料(如玻璃)对工件进行加工。
1、激光器
1.1 气体激光器
通常用二氧化碳激光器。
二氧化碳激光器的激光管内充有二氧化碳，同时加进一些辅助气体，这些辅助气体有助于提高激光器输出功率。二氧化碳激光器是目前气体激光器中连续输出功率最大、能量转换效率最高的一种激光器，能以大功率连续输出波长10.6的激光，而且方向性、单色性及相干性好，能聚焦成很小的光斑。缺点是设备体积大，输出瞬时功率小，而且是看不见的红外光，调整光束位置不方便。
1.2 固体激光器
包括红宝石激光器、钇铝石榴石激光器、钕玻璃(掺钕的盐酸玻璃)激光器等。固体激光器的特点是体轵小，输出能量大，可以打较大较深的孔;但其能量转换效率低，制造较难,成本高。而二氧化碳激光器则具有造价低,结构简单,工作效率高，打孔质量好等优点;不足是体积大，占地面积大。
2、影响激光加工的因素
激光主要用于各种材料的小孔、窄缝等微型加工，虽然也有生产率和表面粗糙度的要求，但主要是加工精度问题，如孔和窄缝大小、深度和几何形状等。因工艺对象的最小尺寸只有几十微米，所以加工误差一般为微米级。为此，除保证光学系统和机械方面精度外，还有光的特殊影响。
2.1 输出功率与照射时间
激光输出功率大，照射时间长，工件所获得能量大。当焦点位置一定时，激光能量越大， 加工孔就大而深，锥度小。照射时间一般为几分之一至几毫秒。激光能量一定时，照射时间太长会使热量传散到非加工区;时间太短则因能量密度过大，蚀除物的高温气体喷出，也会使激光使用效率降低。
2.2 焦距与发散角
发散角小的激光束，经短焦距的聚焦物镜以后,在焦面上可以获得更小的光斑及更高的功率密度。光斑直径小，打的孔也小,且由于功率密度大，打出的孔不仅深，而且锥度小。
2.3 焦点位置
焦点位置低，透过工件表面的光斑面积大，不仅会产生喇叭口，而且因能量密度减小而影响加工深度。焦点位置太高，同样，工作表面尖斑大，进入工件后越来越大，甚至无法继续加工。激光的实际焦点在工件表面或略低于工件表面为宜。
2.4 光斑内的能量分布
激光束经聚焦后，在焦面上的光点实际上是一个直径为d的光斑，光斑内能量分布不均。中心点的光强最大，离开中心点迅速减弱，能量以焦点为轴心对称分布，这种光束加工出来的孔是正圆形的。若激光束能量分布不对称，打出的孔也不对称。
2.5 激光的多次照射
激光照射一次，加工孔的深度大约是孔径的五倍左右，且锥度较大。激光多次照射，深度将大大增加，锥度减小，孔径几乎不变。但是，孔加工到一定深度后，由于孔内壁的反射、透射以及激光的散射或吸收及抛出力减小，排屑困难等原因，使孔前端的能量密度不断减小，加工量逐渐减少，以致不能继续加工。
第一次照射后打出一个不太深而且带锥度的孔;第二次照射后，聚焦光在第一次照射所打的孔内发散，由于光管效应，发散的光在孔壁上反射的下深入孔内，因此第二次照射后所打出的孔是原来孔形的延伸，孔径基本上不变。多次照射的焦点位置固定在工件表面，不向下移动。
2.6 工件材料
各种工件材料的吸收光谱不同，经透镜聚焦到工件上的激光能量不可能全部被吸收，有相当一部分能量被反射或透射散失，吸收效率与工件材料吸收光谱及激光波长有关。在生产实践中，应根据工件材料的性能(吸收光谱)选择激光器。对于高反射和透射率的工件表面应作打毛或黑化处理,增大对激光的吸收效率。
3、激光加工的应用
3.1 激光打孔
利用激光打微型小孔，目前已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化学纤维喷丝头打孔、钟表及仪表的宝石轴承打孔、金刚石拉丝模加工等方面。
激光打孔不需要工具，适合于自动化连续打孔。采用超声调制的激光打孔，是把超声振动的作用与激光加工复合起来。把激光谐振腔的全反射镜安装在超声换能器变幅杆的端面上作超声振动，使输出的激光尖锋波形由不规则变为较平坦排列，调制成多个尖锋激光脉冲。由此可以增加打孔深度，改善孔壁粗糙度和提高打孔效率。
3.2 激光切割
激光切割具有如下特点：(1)可以用来切割各种高硬度、高熔点的金属或非金属材料。(2)切缝窄，可以节省贵重材料(如半导体材料等)。(3)速度快，成品率高，质量好。目前，激光切割已成功应用于半导体材料、钛板、石英、陶瓷等材料的切割加工中。
3.3 激光焊接激光焊接与激光打孔的原理稍有不同
焊接时不需要那么髙的能量密度，使工件材料气化、蚀除，只需将工件加工区烧熔粘合在一起。因此，激光焊接所需的能量密度较低，通常可用减小激光输出功率来实现。
脉冲输出的红宝石激光器和钕玻璃激光器适合于点焊;而连续输出的二氧化碳激光器和YAG激光器适合于缝焊。
激光焊接过程迅速，被焊材料不氧化，热影响区小，适合于热敏感元件焊接。
参考文献
[1]哈尔滨工业大学,上海工业大学.机床夹具设计(第二版).上海:上海科学技术出版社,1989.
[2]刘文剑等.夹具工程师手册.哈尔滨：黑龙江科学技术出版社,1992.
[3]李庆寿.机床夹具设计.北京:机械工业出版社,1984.
[4]孔巴德.机床夹具图册.北京:机械工业出版社,1984.
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目 录
一、激光加工的起源和原理-------------------------------------------------------5
二、激光加工的特点---------------------------------------------------------------5
三、激光加工的应用---------------------------------------------------------------6
四、激光的发展趋势---------------------------------------------------------------7
五、结论-----------------------------------------------------------------------------8
六、致谢-----------------------------------------------------------------------------9
现代制造技术特种加工
---激光加工
1、激光加工的起源和原理
随着科学技术的发展和社会需求的多样化，产品的竞争越来越激烈，更新换代的周期也越来越短。为此，要求不但能根据市场的要求尽快设计出新产品，而且能在尽可能短的时间内制造出原型，从而进行性能测试和修改，最终形成定型产品。而在传统制造系统中，需要大量的模具设计、制造和调试等工作，成本高，周期长，已不能适应日新月异的市场变化。为了提高研发和生产速度，快速而精确地制作出高质量、低成本的模具和产品，能对市场变化做出敏捷响应，人们作了大量的研究和探索工作。随着工业激光器价格的不断下降和工业激光加工技术的日益成熟，给模具制造和产品生产工艺带来了重大变革
激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。
2、激光加工的特点
激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势：
2.1由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。
2.2它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。
2.3激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。
2.4激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。
2.5它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。
2.6由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。
2.7使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。
3、激光加工的应用
激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、焊接、热处理等。 某些具有亚稳态能级的物质，在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目——粒子数反转，若有一束光照射，光子的能量等于这两个能相对应的差，这时就会产生受激辐射，输出大量的光能。激光加工的应用主要有以下几个方面：
3.1、激光打孔
采用脉冲激光器可进行打孔,脉冲宽度为0.1～1毫秒,特别适于打微孔和异形孔,孔径约为0.005～1毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工。
3.2、激光切割、划片与刻字
在造船、汽车制造等工业中,常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光器对大工件进行切割,既能保证精确的空间曲线形状,又有较高的加工效率。对小工件的切割常用中、小功率固体激光器或CO2激光器。在微电子学中，常用激光切划硅片或切窄缝，速度快、热影响区小。用激光可对流水线上的工件刻字或打标记，并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持（图1）。
图1激光刻字
3.3、激光微调
采用中、小功率激光器除去电子元器件上的部分材料，以达到改变电参数（如电阻值、电容量和谐振频率等）的目的。激光微调精度高、速度快，适于大规模生产。利用类似原理可以修复有缺陷的集成电路的掩模，修补集成电路存储器以提高成品率，还可以对陀螺进行精确的动平衡调节。
3.4、激光热处理
用激光照射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度，可以选择和控制热处理部位，工件变形小,可处理形状复杂的零件和部件,可对盲孔和深孔的内壁进行处理。例如，气缸活塞经激光热处理后可延长寿命；用激光热处理可恢复离子轰击所引起损伤的硅材料。
激光加工的应用范围还在不断扩大，如用激光制造大规模集成电路，不用抗蚀剂，工序简单,并能进行0.5微米以下图案的高精度蚀刻加工，从而大大增加集成度。此外，激光蒸发、激光区域熔化和激光沉积等新工艺也在发展中。
3.5、激光焊接
激光焊接强度高、热变形小、密封性好，可以焊接尺寸和性质悬殊，以及熔点很高(如陶瓷)和易氧化的材料。激光焊接的心脏起搏器，其密封性好、寿命长，而且体积小。
4、激光的发展趋势
激光加工用于再制造业和应用于其他制造业一样，有其不可替代的优点，并优于其它加工技术。激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层，从而使得激光表面加工技术成为再制造的一项重要手段。它主要是采用5KW~10KWCO2高功率激光器及其系统。 与国际上激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的4%左右。主要表现为：高档激光加工系统很少，甚至没有；主力激光器不过关；微细激光加工装备缺口较大；而这些领域我国的生产 加工企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。预测今后2-3年内，我国激光加工销售额将会由2008年的35亿人民币上升翻一倍，也就是说会达到70亿元产值。 国内各类制造业接受了激光加工技术，它可使他们的产品增加技术含量，加快产品更新换代，为适应21世纪高新技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。
5结论
本文对激光加工的原理、起源、应用、发展趋势等做了详细的介绍，并结合激光加工等常见的问题作出分析，对激光加工工艺的理解有一定的帮助。
参考文献
[1]刘晋春、赵家齐、赵万生.特种加工（第4版）[M].机械工业出版社，2007.
[2]宋威廉，激光加工技术的发展[M].北京：机械工业出版社，2008.
[3]赵万生.特种加工技术[M].北京：机械工业出版社，2004.
[4]张辽远.现代加工技术[M].北京：机械工业出版社，2002.
[5]刘振辉，杨嘉楷.特种加工[M].重庆：重庆大学出版社，1991.
《模具工业》2001. No . 4 总 242 40
激 光 加 工 技 术 在 模 具 制 造 中 的 应 用
江苏理工大学(江苏镇江 212013) 张 莹 周建忠 戴亚春
[摘要]随着激光加工技术的日趋成熟和工业用大功率激光设备价格的逐渐下降 ,给产品和
模具的制造工艺带来了新的变革 ,在模具制造、 模具表面强化与维修、 取代模具等 3个方面 ,就
激光优化模具制造工艺作了较为详细的分析和探讨。
关键词 模具 激光 工艺优化
[ Abstract ]Wi t h t he mat uri ng of t he las e r p r oces si ng t echnology and t he dec r easi ng of p rice of t he
i ndus t rial la r ge - p owe r las e r e quipme nt , a new i nnovat ion was br ought t o t he manuf act uri ng
t echnology of t he p r oduct s and t he dies and moulds . A r elat ively de t ailed analysis and dis cus sion
was made on t he las e r op t imized manuf act uri ng p r oces s f or dies and moulds f r om t hr e e asp ect s of
manuf act uri ng , s urf ace r ei nf orceme nt and mai nt e nance , and s ubs t i t ut ive dies or moulds .
Key words die and mould , las e r , t echnological p r oces s op t imizat ion
1 引 言
激烈的市场竞争使制造企业对快速响应市场
需求和一次制造成功等要求日益迫切。而在常规制
造系统中 , 产品生产所需大量模具的设计、制造和
装配调试不仅耗费大量资金 , 更严重的是延长了产
品生产的准备时间 , 从而延长了新产品开发周期 ,
形成制造过程中的瓶颈。因此 , 如何快速有效地制
造出高质量、低成本的模具及产品 , 就成为人们不
断探索的课题。随着激光加工技术的日趋成熟和工
业用大功率激光器设备价格的下降 , 给产品和模具
制造工艺带来了重大变革。本文在模具制造、模具
表面强化与维修、取代模具等 3个方面 , 就激光加
工在模具制造中的应用作一些探讨。
2 模具制造
2. 1 模具的激光叠加制造
1982年 ,日本东京大学的中川教授等人提出用
薄片叠加法制造拉伸模 , 1985年 , 美国加州某公司
推出了模具的激光叠加制造法 , 并获得专利 , 其工
艺流程见图 1 ,原理为将激光切割的多层薄板叠加 ,
并使其形状逐渐发生变化 , 最终获得所需的模具立
体几何形状。日本在冲模的激光叠加制造方面已达
到实用阶段 ,所制的凸、 凹模质量高 ,加工尺寸精度
— — —— — —— — —— — —— — —— — ——
收稿日期:2000年8月10日
已达 ±0. 01mm ,切割厚度为 12mm。 经激光切割后 ,
在切口表面形成深 0. 1～0. 2mm、 硬度为 800HV 的
硬化层 ,用来冲裁 1mm 厚的钢板 ,单凭自冷硬化层
就可冲压 10 000 件 , 如在激光切割后再经火焰淬
火 ,则可冲压 3～5万件。 由于各薄板间的连接简单 ,
故用叠加法制作冲模 ,成本可降低一半 ,生产周期大
大缩短。用来制造复合模、落料模和级进模等都取
得了显著的经济效益。
图 1 激光叠加模具制造工艺流程
由模具 CAD 和激光切割相结合构成一个完整
的模具 CAD/ CAM 系统 ,实现板料切割的 FMS ,适
用于多品种小批量生产。用激光切割的薄板来叠加
合成任意三维曲面的制造系统 , 不仅为在塑性加工
和模具领域中实行 FMS 提供了思路 , 而且对于内
部结构复杂的模具制造 ,如型孔、 中孔体及复杂的冷
却管道等 ,也是快速而经济的制造模具的有效方法 ,
并且能带动其他技术如固相扩散等的发展。
2. 2 快速模具制造
模具 CAD
三维设计
二维外形
NC 程序
激光
切割
去除
梯级
创层面
精加工
成形
模具
装
配
薄片
连结
精加工
NC 程序
模 具 制 造 技 术《模具工业》2001. No . 4 总 242 41
快速成型制造技术(RPM)是 80年代后期出现
的一项制造技术 , 目前 RPM 技术已发展了十几种
工艺方法。基于 RPM 技术快速制造模具的方法多
为间接制模法 , 即利用 RPM 原型间接地翻制模
具。
(1) 软质简易模具 (如汽车覆盖件模具) 的制
作。采用硅橡胶、低熔点合金等将原型准确复制成
模具 , 或对原型表面用金属喷涂法或物理蒸发沉积
法镀上一层熔点极低的合金来制作模具。这些简易
模具的寿命为 50～5 000件 ,由于其制造成本低 ,制
作周期短 , 特别适用于产品试制阶段的小批量生
产。
(2) 钢质模具制作。RPM 原型 — — — 三维砂轮
— — — 整体石墨电极 — — — 钢模 ,一个中等大小、 较为复
杂的电极一般 4～8h 即可完成。 美国福特汽车公司
用此技术制造汽车覆盖件模具取得了满意的效果 ,
与传统机械加工制作模具相比 , 快速模具制造省去
了耗时、 昂贵的 CNC加工 ,加工成本及周期大大降
低 ,具有广阔的应用前景。
3 模具表面强化与修复
为提高模具的使用寿命 , 常常需对模具表面进
行强化处理。常用的模具表面强化处理工艺有化学
处理 (如渗碳、 碳氮共渗等) 、 表层复合处理 (如堆
焊、 热喷涂、 电火花表面强化、 PVD 和 CVD 等) 以
及表面加工强化处理(如喷丸等) 。这些方法大多工
艺较为复杂 , 处理周期较长 , 且处理后存在较大的
变形。采用激光技术来强化和修复模具 , 具有柔性
大 , 表面硬度高 , 工艺周期短 , 工作环境洁净等优
点 ,因此具有很强的生命力。
3. 1 激光相变硬化
激光相变硬化 (激光淬火) 是利用激光辐照到
金属表面 , 使其表面以很高的升温速度达到相变温
度 (但低于熔化温度) 而形成奥氏体 ,当激光束离开
后 , 利用金属表面本身热传导而发生自淬火 , 使金
属表面发生马氏体转变 , 形成硬度高、抗磨损的表
层 , 从而使金属表面得到强化。所用设备为三轴联
动的数控激光加工机。
影响激光强化的主要因素有激光功率、光斑尺
寸和扫描速度。在强化过程中要对这些参数进行优
化 , 并对具体材料选择合适的激光处理参数。对于
CrWMn、 Cr12MoV、 Cr12、 T10A 及 Cr-Mo 铸铁等
的常用模具材料 , 在激光处理后 , 其组织性能较常
规热处理普遍改善。 例如 ,CrWMn 钢在常规加热时
易在奥氏体晶界上形成网状的二次碳化物 , 显著增
加工件脆性 ,降低冲击韧性 ,使用在模具刃口或关键
部位寿命较低。采用激光淬火后可获得细马氏体和
弥散分布的碳化物颗粒 ,清除网状 ,并获得最大硬化
层深度以及最大硬度 1 017. 2HV。Cr12MoV 钢激
光淬火后的硬度、抗塑性变形和抗粘磨损能力均较
常规热处理有所提高。对 T8A 钢制造的凸模和
Cr12Mo 钢制造的凹模 ,激光硬化深 0. 12mm ,硬度
1 200HV , 寿命提高 4～6倍 , 既由冲压 2万件提高
到 10～14万件。 对于 T10钢 ,激光淬火后可获得硬
度 1 024HV、 深 0. 55mm 的硬化层;对于 Cr12 ,激光
淬火后可获得硬度 1 000HV、 深 0. 4mm 的硬化层 ,
使用寿命均得到了较大的提高。
3. 2 激光涂覆
激光涂覆是用激光在基体表面覆盖一层薄的具
有一定性能的涂覆材料 , 这类材料可以是金属或合
金 ,也可以是非金属 ,还可以是化合物及其混合物。
在涂覆过程中 , 涂覆层在激光作用下与基体表面通
过熔合迅速结合在一起。它与激光合金化的主要区
别在于经激光作用后涂层的化学成分基本上不变
化 , 基体的成分基本上不进入涂层内。激光涂覆工
艺实用的材料范围很广 , 正在研究的母体材料有低
碳钢、 合金钢、 铸铁、 镍铬钛耐热合金等 ,研究的添加
材料有钴基合金、 铁基合金和镍基合金等。
采用激光技术在有送粉器的 2kW CO2 激光器
上 , 对 4Cr5MoV1Si 钢基体表面涂覆一层由镍基高
温合金和 WC + W2C 粒子组成的高温耐磨合金粉
末 ,在激光功率 P = 1 500W ,送粉量为 10g/ min ,工
件移动速度为 2～3mm/ s 条件下 ,获得多道搭接的
大面积高温耐磨合金。 在试验温度为 600℃ 时 ,硬度
为 550～580HV0 .2 ; 在温度为 950℃时 , 硬度为
100～200HV0 .2。 可见在 1 000℃ 左右高温下 ,涂覆层
仍有很高的强硬性 , 是较理想的高温模具耐磨合
金。另外 , 采用激光涂覆方法来修复已磨损的冲模
及拉伸模等 ,可大大延长模具的使用寿命 ,降低模具
的使用成本。
3. 3 激光堆焊
对于一些汽车覆盖件冲裁修边模具 , 为提高使
用寿命 ,节省优质模具材料 ,刃口往往采用在较差的
基体材料上堆焊一层性能优异的合金。 过去 ,堆焊大
多采用人工氧 — 乙炔火焰堆焊法 ,这种方法虽然设备《模具工业》2001. No . 4 总 242 42
费用低 ,但功率密度不高(10
2
～10
3
W/ cm 2
) ,且难以
进行精确控制 , 因而堆焊质量和生产率都较低。70
年代以来 , 开发成功了等离子粉末堆焊技术 , 由于
其具有较高的功率密度且控制性能也较好 , 因而得
到了广泛的应用。但等离子堆焊存在着电极寿命
短、 堆焊层母材稀释率较高等问题。80年代以来出
现的激光堆焊法与使用同一材料的氧 —乙炔火焰
堆焊法相比 ,激光堆焊层组织细微、 致密 ,不良品率
仅为前者的 1/ 10。激光堆焊的速度快 ,生产率比氧
— 乙炔火焰堆焊高 1. 75倍 , 而堆焊的材料使用量
仅为其 1/ 2。而且激光堆焊层的室温硬度比氧 — 乙
炔火焰堆焊的高 50HV 左右。 激光堆焊质量与激光
的光束模式、 功率及堆焊速度等因素有关。
4 激光加工替代模具冲压加工
4. 1 激光切割替代薄板件的冲裁模
激光切割替代钣金件及汽车车身制造中的冲
裁修边模大有可为。三维激光切割技术 , 由于其本
身具有加工灵活和保证质量的特性 , 在 80 年代就
开始在汽车车身制造中应用。切割时只需用平直的
支撑块来支撑工件 , 因此夹具的制作不仅成本低而
且快速。由于与 CAD/ CAM 技术相结合 ,切割过程
易于控制 , 可实现连续生产和并行加工 , 从而实现
高效率的切割生产。
切割板材所使用的激光器主要有两大类 , 即
CO2 激光器和 Nd : YA G激光器 ,功率为 100～1 500
W , 因为功率小于 1 500W 的激光器其振动模式为
单模 , 切缝宽度为 0. 1～0. 2mm , 切割面也很整洁 ,
而输出功率大于 1 500W 时激光器的振动模式为多
模 , 割缝宽度近 1mm , 切割面质量较差。因 Nd :
YA G的激光可通过光导纤维输送 , 比较灵活方便 ,
适用于机器人手执激光喷嘴配程序控制进行精确
操作 , 因此在三维切割时大多采用。影响激光切割
工件质量的主要因素有切割速度、焦点位置、辅助
气体压力、 激光输出功率及模式。
美国福特和通用汽车公司以及日本的丰田、日
产等汽车公司 , 在汽车生产线上普遍采用激光切割
技术 , 它不必采用各种规格的金属模具 , 除了快速
方便地切割各种不同形状的坯料外 , 还用来大量切
割加工因规格不同需要更改的零件安装孔位置 , 如
汽车标志灯、 车架、 车身两侧装饰线等。通用汽车公
司生产的卡车仅车门就有直径为 <2. 8～<39mm 的
20种孔 , 公司采用 Rofin- Sinar 的 500W 激光器通
过光纤连接到装在机械手的焊头上 , 用以切割这些
孔 ,1min 就完成一扇门开孔的加工 ,孔边缘光滑 ,背
面平整 。<2. 8mm 孔的公差为 0. 03～0. 08mm ,
<12mm 孔的公差为 - 0. 25mm～ + 0. 03mm。该公
司生产的卡车和客车有 89 种孔径和孔位配置不同
的底盘 ,经过优化设计 ,现在只需要冲压 5种不同的
底盘 ,然后再由激光切割出配置不同的孔 ,简化了工
艺 ,提高了效率 ,降低了成本。
我国自然科学基金委在 1997 年把大功率 CO2
及 YA G激光三维焊接和切割理论与技术作为重点
项目进行资助 , 国家产学研激光技术中心的课题组
成员对此进行了系统的研究 , 为在我国汽车车身制
造业中应用三维激光立体加工技术做出了很大贡
献。该中心为一汽轿车公司、宝山钢铁公司等国有
大型企业的技术改造开展了重大工程项目攻关 , 其
中开发红旗加长型轿车覆盖件的三维激光制造工艺
技术 , 在我国轿车生产中是首次采用。在汽车用薄
厚钢板激光大拼板拼接工艺试验研究中首次采用了
激光切割替代精裁工艺技术 , 取得了较好的技术经
济效果。三维激光切割在车身装配后的加工也十分
有用 ,例如开行李架固定孔、 顶盖滑轨孔、 天线安装
孔、修改车轮挡泥板形状等。在新车试制中用于切
割轮廓和修正 ,既缩短了试制周期又节省了模具 ,充
分体现出采用激光切割加工的优点。
4. 2 激光打标替代冲模打标
企业在其生产的零部件上常常需要打上企业自
己的标志或特定的符号与数字 , 以往的方法是使用
冲模打标或用铸模成型 , 打标质量不高。采用数控
激光机打标不仅速度快 , 而且克服了冲模打标中常
见的毛边、尖锐的边缘和畸变。由于采用计算机控
制 , 因此可以打出任意复杂的图案 , 省去了模具设
计、 制造及调试等环节 ,大大缩短了产品的开发制造
周期 , 同时也降低了成本。因激光打标机所需功率
小 ,成本低 ,打出的标记美观、 漂亮 ,现已为大多数企
业所采用。
4. 3 激光成形替代弯曲模成形
金属板料的激光成形技术是一种利用聚焦光束
以一定的速度扫描金属板料表面 (扫描速度应足够
快以防止表面熔化) ,使热作用区内的材料产生明显
的温度梯度 ,导致非均匀分布的热应力 ,从而使板料
塑性变形的方法。与常规成形方法相比 , 激光成形《模具工业》2001. No . 4 总 242 43
具有许多优点: ① 属于无模成形 ,生产周期短 ,柔性
大 , 可不受加工环境限制 , 通过优化激光加工工艺
参数 , 精确控制热作用区域以及热应力的分布 , 将
板料无模成形; ② 因其是一种仅靠热应力而不用模
具使板料变形的塑性加工方法 , 因此属无外力成
形; ③ 为非接触式成形 ,所以不存在模具制作、 磨损
和润滑等问题 ,也不存在贴模、 回弹现象 ,成形精度
高; ④ 可使板料通过复合成形得到形状复杂的异形
件(如球形件、 锥形件和抛物形件等) 。
激光成形机理的实质就是弯曲机理。当激光加
热板料时 , 一方面在激光作用区及其周围产生热应
力 , 同时降低了被加热区域板料的屈服极根 , 从而
使热应力作用区的热态材料产生非均匀的塑性变
形 ,实现板料的弯曲成形。试验表明 ,激光每扫描一
道次 ,金属板料可弯曲 1° ～5° ,不同的扫描轨迹和工
艺参数组合能够产生不同的成形效果和不同程度
的变形量 , 即可得到各种复杂形状的工件。图 2表
示在工艺参数为激光速功率 1. 5kW , 激光束直径
5. 4mm , 材料 SUS304 , 厚 1mm , 碳涂覆面的条件
下 ,激光扫面速度与材料弯曲角之间的变化关系。
图 2 激光扫描速度对弯曲角的影响
现在世界上许多国家都投入较大的人力、物力
对激光成形技术进行专项研究 , 在某些领域现已开
始了初步的工业应用。波兰基础技术研究所的
HFrackiewicz 教授利用激光成形先后制造出了筒
形件、 球形件、 波纹管和金属管的扩口缩口、 弯曲成
形等;德国学者 MGeiger 等将激光成形与其他加工
工序复合运用于汽车制造业 , 进行了汽车覆盖件的
柔性校平和其他成形件的成形 , 而且对弯曲成形过
程进行计算机闭环控制 , 提高了成形精度。德国
Trumpf 公司于 1997 年开发了商品化激光成形多
用机床 Trumat ic L 3030。 相信随着研究的不断深入
以及其他相关技术的发展 , 激光成形技术将逐趋成
熟 ,进入实用化阶段。
5 结束语
激光加工技术作为一种先进的加工工艺 , 在国
外各行业已得到了广泛的应用 ,我国机械行业在 “九
五”期间也将其作为十大技术之一。国家自然科学
基金委也把激光加工工艺和激光加工设备的研究作
为重点研究项目进行资助 , 并明确指出其主要应用
领域应该在汽车制造业。模具作为一种工具 , 其生
产周期、质量和成本直接影响产品的制造过程和销
售。而激光作为一种万能加工工具 , 在减少模具制
造装备 ,缩短模具制造周期 ,降低制造成本和保证模
具质量等方面具有很大的优势。如何在实际生产中
应用激光加工技术来优化模具制造工艺 , 对传统的
模具制造工艺进行改进和组合 , 需要我们做出不断
的努力。
参 考 文 献
1 陈大明 ,徐有容 . 模具钢表面激光熔覆硬面合金层改性
研究.金属热处理 ,1998 , (1)
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钢技术 ,1998 , (3)
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机电信息 ,1999 , (6)
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快速凝固技术一般指以大于105 K/s~106 K/s 的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，下面是我为大家精心推荐的快速凝固技术论文，希望能够对您有所帮助。
浅析金属材料快速凝固激光加工成形
【摘要】快速凝固加工技术能使微晶、非晶、准晶等非平衡新型结构及 其它 功能材料快速凝固。该技术不仅能提高传统金属的材料性能，还能挖掘现存材料的性能加以利用，并且研究其他高性能材料。如今，快速凝固非平衡材料的理论研究及其技术都已经成为了材料科学与凝聚态物理的重点研究领域之一。实现金属材料快速凝固的基本 方法 就是激光表面快速凝固，这也是在实现凝固冷却方法中速度最快的一种方法。
【关键词】金属材料;快速凝固;激光;
利用激光熔化金属材料表面，可以得到快速凝固后的表面材料，并且还能带有组织特征。例如枝晶及组织细化、低偏析或无偏析、准晶、溶质元素高度过饱和固溶等，并且还能获得具有物理性能、化学性能或力学性能的表面材料。此外，在利用激光将材料表面快速熔化的过程中，向熔池内添加合金元素，还能获得许多零件基材，并且这些零件基材的成分、组织及性能都完全不同，是特种表面冶金涂层材料，具有细小、均匀等特点。
快速凝固激光加工的过程十分迅速、灵活，且易于自动化、热影响区小，因此利用该技术将金属材料表面改性的应用基础与研究都得到了迅速发展。并且，以快速凝固理论作为研究基础，在其发展之上演变而来的激光表面合化金技术与激光表面工程技术也成为了现代表面工程的新技术之一，这两种技术都能将特征先进涂层材料与优质零件进行设计合成。近年来，随着快速原型制造技术的发展，快速凝固激光材料的加工基本原理不断发展，两者相结合之后使高性能金属零件激光添加技术也得到迅速发展。高性能金属零件激光添加技术成为了激光技术、材料学科、材料加工工程等学科的重点研究对象。该技术是将材料设计、材料合成与近净形复杂金属零件快速成形相结合的制造技术，具有先进性、知识化、数字化等特点。
一、将钛合金快速凝固的激光熔覆技术
在金属材料中，钛合金的优点十分多，例如密度低、耐蚀性高、生物相容性好、比强度高等，而航天、航空、兵器、船舶等领域又十分需要这种材料，因此钛合金得到了广泛应用。但是钛合金也有一些缺点，如耐磨性低、易粘着、摩擦系数高、高温高速摩擦易燃等。但是同时，钛合金在这些领域大多是作为摩擦磨损运动副零部件，不能让其自身的缺点影响到应用效果。而想要使钛合金的耐磨性增高、阻燃性增高、摩擦系数降低，达到完美摩擦磨损运动副零部件的效果，就必须采用先进的表面工程技术改变钛合金表面缺点。最经济灵活的方式是将钛合金零件基材与牢固的冶金结合，形成具有高温耐磨、耐腐蚀、阻燃性强的特殊材料。
利用激光表面所含的合金化与激光熔覆技术结合耐磨材料表面改性层，可以将钛合金的耐磨性能大幅提高。此外，将快速凝固激光表面合金化技术与激光熔覆技术相结合，利用难熔金属化合物能增强钛合金表面的高温耐磨涂层，并且达到快速凝固效果。此种方法还可以应用于TC4、BT9、TA15等钛合金采研制出 、 、 等高硬度且十分耐磨的金属间化合物耐磨涂层新材料。在上述的涂层组织中，都是金属间化合物，它们的硬度较高，并且温度与硬度关系反常，有金属键与共价键共存现象。经过研究，发现这些金属间化合物在室温条件或高温条件下，摩擦系数、磨料磨损率、滑动磨损率及微动磨损率都非常低，并且其耐磨性还能继续提高，甚至达到钛合金基材的100至700倍，而其摩擦系数可降低整整一半。这些研究为作为摩擦副机械零部件的钛合金应用提供了新的方法。
二、金属材料快速凝固激光制备特种涂层新材料
一般而言，高温运动副零部件应用环境都是十分恶劣的，大多应用于航空及航天发动机、石油采集设备、电力工程等方面，因此对这些高温运动副零部件组成材料的性能要求极高，不仅需要强大的耐高温性能、耐腐蚀性能、抗氧化性能、低摩擦系数，还需要较强的生物相容性。而这样的多功能材料新涂层需要非常优质的涂层制备技术。因此，近年来许多研究人员将涂层制备技术和快速凝固激光熔覆技术相结合，研究出具有强大功能的涂层新材料，不仅这些新材料的各种性能都大大提高，同时也进一步发展了凝固激光熔覆涂层制备技术。
在航空装置、航天装置、石油采集设备等先进技术装备的发动机中都需要用到许多高温高速副零部件，而具有多功能的涂层新材料都具有耐高温、耐磨损、抗氧化、低摩擦、摩擦相容等特点，因此十分适合航空发动机等先进装置的条件。此外，将快速凝固激光熔覆涂层制备技术与耐磨材料的设计原理相结合，还可以得到性能更加优异的激光熔覆涂层新材料，例如超高碳 。其工艺性能良好、碳含量在9%-12%之间，并且内部显微组织呈孤立分布的状态。此种激光熔覆涂层新材料已经应用到我国的先进航空发动机中，作为关键高温高速滑动摩擦副部件使用。
随着高温耐磨运动副零部件的应用环境越来越恶劣，对其性能要求也越来越高。此时对于过渡金属硅化物的化学性质也提出了更高要求，因为难熔金属硅化物在摩擦学、耐磨材料、表面工程等领域都能表现出其众多的优点，所以难熔金属硅化物成为了多功能涂层新材料的又一研究领域。经过研究人员坚持不懈的探索，终于成功研究出 、 、 、 等多功能涂层新材料，这些金属硅化物的高温耐磨性优异、抗热性能和抗腐蚀性能极高、低摩擦系数及其摩擦相容性更是符合标准，并且各性能之间还能相互配合，优化其涂层激光熔覆制备技术。在常温金属及高温金属干滑动试验中， 、 等金属硅化物涂层具有反常载荷、反常温度、与金属摩擦完全不粘着等特性。
三、金属材料小平 面相 液-固界面结构及其生长机制
在凝固理论研究中，小平面相的液-固界面结构、生长形态、生长规律及生长机制一直都是重点研究课题。笔者在研究增强金属及金属间化合物的复合涂层材料时，以 作为研究对象，研究在不同的凝固冷却速度下，它的小平面相的液-固界面结构、生长形态、生长规律及生长机制有何不同。
结果表明，在冷却速度为 发非平衡凝固条件下，小平面相 的生长形态十分分度，在没有达到最快速凝固条件时， 小平面相液-固界面结构为三维网络树枝状;而在达到最快速凝固条件时， 小平面相液-固界面结构为小平面花瓣状分枝团族树枝晶状。可是，不论凝固冷却速度条件是否达到标准，即使其凝固形态不同，但其生长界面始终具有小平面特征，说明类似 晶体的高因子小面晶体在较宽的凝固冷却速度范围以内，其小平面相液-固界面结构及其生长机制的基本特征都不会随着凝固冷却速度的变化而产生变化。
四、高性能金属材料激光快速成形
高性能金属材料激光快速成形技术是近年来随着材料科学不断发展形成的新技术，也属于快速凝固技术的一种，由新材料制备技术结合先进制造技术研发而来。该技术的核心是快速凝固激光材料制备加工技术，利用快速原型制造技术在没有任何模具与工装条件下即可快速成形任意形状的零件。高性能金属零件激光快速成形技术具有高度的柔性、适应性及快速响应性，应用面十分宽广。
结束语
随着高温耐磨运动副零部件的应用环境越来越恶劣，对其性能要求也越来越高。利用激光熔化金属材料表面，可以得到快速凝固后的表面材料，并且还能带有组织特征。快速凝固激光加工成形技术是利用金属快速凝固效应进行新材料制备的新型技术，也可以进行高性能金属材料的直接成形。该技术在许多先进航空材料的表面改性、发动机涂层新材料合成、优质涂层制备等方面都具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]樊熊.金属材料加工工艺中激光技术应用分析[J].企业技术开发，2013，15：23-24.
[2]田延龙.激光技术在金属材料加工工艺中的应用探析[J].科技创新与应用，2013，(10).
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