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解決方案

大功率光纖激光器在機械產(chǎn)業(yè)中的應用

星之球科技 來源:創(chuàng)鑫激光網(wǎng)2015-10-16 我要評論(0 )   

激光加工是20世紀60年代初期興起的一項新技術,廣泛應用于農(nóng)業(yè)機械、工程機械、糧油機械、特種汽車、鋸片及造船等行業(yè)。尤以在機械行業(yè)的發(fā)展速度最快,而在機械制造業(yè)...

 激光加工是20世紀60年代初期興起的一項新技術,廣泛應用于農(nóng)業(yè)機械、工程機械、糧油機械、特種汽車、鋸片及造船等行業(yè)。尤以在機械行業(yè)的發(fā)展速度最快,而在機械制造業(yè)中的廣泛使用又進一步推動了激光加工技術的產(chǎn)業(yè)化。
 
20世紀70年代,美國進行了兩大研究:一是福特汽車公司進行的車身鋼板的激光焊接;二是通用汽車公司進行的動力轉向變速箱內(nèi)表面的激光淬火。這兩項研究推動了之后的機械制造業(yè)中的激光加工技術的發(fā)展。到80年代后期,激光加工的應用實例有所增加,其中增長最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。這3項技術目前已經(jīng)發(fā)展成熟,應用也很廣泛。進進21世紀初始,“激光技術國家重點實驗室”和“激光加工國家研究中心”率先在武漢法利萊切割系統(tǒng)工程有限公司組建了激光產(chǎn)業(yè)科研組,并選定重點研究項目,以法利萊公司作為生產(chǎn)和研究基地。自此,大功率激光加工技術才得以在我國機械產(chǎn)業(yè)領域落地生根。
 
激光加工技術之所以得到如此廣泛的應用,是由于它與傳統(tǒng)加工技術相比具有很多優(yōu)點:一是非接觸加工,沒有機械力;二是可以加工高硬度、高熔點、極脆的難加工材料;三是加工精度高,熱變形很小,加工質(zhì)量高;四是與現(xiàn)代數(shù)控機床相結合,使激光加工具有加工精度高、可控性好、程序簡單、省料及污染少等特點。下面,綜合先容在機械產(chǎn)業(yè)中應用比較廣泛的幾種激光加工技術。
 
         1.激光切割
激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度光束照射工件,材料吸收激光能,溫度急劇升高,工件表面開始熔化或氣化,并吹進活性氣體助燃。隨著激光束與工件的相對運動,在工件上形成切縫。激光照射工件表面時,一部分光被吸收,另一部分光被工件反射。吸收部分轉化為熱能,使工件表面溫度急劇升高,材料熔化、氣化,產(chǎn)生黑洞效應,使材料吸收率進步,迅速加熱切割區(qū)材料。此時吹氧可以助燃,并提供大量熱能,使切割速度進步;還可吹走熔渣,保護和冷卻鏡頭。
 
激光切割有很多特點:激光可切割特硬、特脆和特軟材料;切縫寬度很窄;切割表面光潔;切割表面熱影響層淺,表面應力小;切割速度快,熱影響區(qū)??;適合加工板材。
 
在產(chǎn)業(yè)機械生產(chǎn)制造中,“激光技術國家重點實驗室”和武漢法利萊聯(lián)合研制的WALC4020寬幅面數(shù)控激光切割機(見圖1),除了可以達到上述要求及切割幅面寬的特點外,還具有以下技術創(chuàng)新點:懸臂倒掛橫梁、直線電動機驅(qū)動、SIEMENS 840D控制器、專有光束質(zhì)量調(diào)整系統(tǒng)、穿透檢測、自動聚焦、打孔切割雙流量控制系統(tǒng)以及垂直升降式交換工作臺結構等。這些技術創(chuàng)新使WALC4020激光切割機的技術性能超過其他同類產(chǎn)品,達到國際先進水平。
 
         2.激光焊接
激光焊接是一種高速度、非接觸、變形小的生產(chǎn)加工方法,非常適合大量而連續(xù)的加工過程。法利萊大功率激光科研基地生產(chǎn)的專用激光焊接機,或融合焊接、切割于一體的激光加工設備,能成倍進步焊接質(zhì)量。其焊接接頭強度高,可以達到與母材等強度,設備性能穩(wěn)定、重復性好、可靠性高,焊接接頭無脫斷,并且在國內(nèi)率先開發(fā)出汽車排氣管、傳動部件和生產(chǎn)工件的激光焊接成套設備,能成倍提升生產(chǎn)效率和使用壽命,經(jīng)濟效益十分明顯。
 
         3.激光硬化
激光硬化就是激光淬火,是用高能激光束快速掃描氣缸孔表面,在表面極薄一層的小區(qū)域內(nèi)(光斑大小)快速吸收能量而使溫度急劇上升(見圖2、圖3)。由于金屬基體優(yōu)良的傳熱、導熱性,表面熱量迅速傳到氣缸基體的其他部分,從而在極短的瞬間完成自冷淬火,實現(xiàn)氣缸孔表面的相變硬化。
 
激光表面硬化與常規(guī)的硬化工藝相比,其發(fā)展歷史很短,但從已取得的效果來看,激光硬化處理工藝是一種具有很多特點的表面硬化處理新工藝。
 
其主要特點有:
(1)材料表面的高速加熱和高速自冷。
(2)激光硬化處理后的工件表面硬度高,比常規(guī)淬火要高5 %~20%,可獲得極細的硬化層組織。
(3)由于激光加熱速度快,因而熱影響區(qū)小,淬火應力及變形小。
(4)可以對外形復雜的零件和不能使用其他常規(guī)方法處理的零件進行局部硬化處理。同時,也可以根據(jù)需要在同一零件的不同部位進行不同的激光硬化處理。
(5)激光硬化工藝周期短,生產(chǎn)效率高,工藝過程易實現(xiàn)計算機控制,自動化程度高,可納進生產(chǎn)流水線。
(6)激光硬化靠熱量由表及里的傳導自冷,無需冷卻介質(zhì),對環(huán)境無污染。
 
由熱處理理論可知,材料熱處理后的硬度與溫度的變化速率有密切關系。變化速率越大,硬度越高,耐磨性越好。激光淬火后,在工件表面可得到晶體細化、組織致密的馬氏體和萊氏體,表層石墨消失,碳化物含量增加,彌散度進步,在次表層產(chǎn)生殘余奧氏體。對鑄鐵材料來說,工件表面硬度大幅度進步后,硬度可從原來的180~250HV進步到1000HV左右,耐磨性進步3~4倍以上,而且工件表面的抗疲憊性能和抗腐蝕性能也獲得明顯進步。
 
隨著大功率激光器的研制成功,激光加工技術在機械產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展和廣泛應用,大功率激光切割焊接技術必將為民族產(chǎn)業(yè)起到很好的助推作用!

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