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激光加工在裝備制造和維修中的研究與應(yīng)用

2008年01月18日 10:23點(diǎn)擊:277來源:>>進(jìn)入該公司展臺

摘要 通過對近年來國外激光焊接、激光切割和激光熔覆和修復(fù)研究和應(yīng)用狀況的回顧,論述了*的激光加工技術(shù)的主要特點(diǎn),揭示了在*裝備制造和維修中大力推廣*的激光加工技術(shù)的重要性和潛在的經(jīng)濟(jì)與軍事價(jià)值。

自1960 年,世界上*臺激光器誕生后,激光技術(shù)得到了發(fā)展,極大地帶動了與激光有關(guān)技術(shù)研究的蓬勃開展,激光加工技術(shù)就是其中之一。與傳統(tǒng)的加工熱源相比,激光具有高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等特點(diǎn),因此,激光加工是一種新型的高能束流加工技術(shù),對提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動化和無污染,以及減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。根據(jù)2000 年度在范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì),工業(yè)激光按應(yīng)用領(lǐng)域分配額為[1]:激光切割占32%,標(biāo)記占30%,激光焊接占13%,微處理占13%,激光打孔占4%,其它占8%。可見激光加工是當(dāng)今具有代表性的*制造技術(shù),為材料加工和結(jié)構(gòu)制造提供了一種新的實(shí)用手段。下面將從激光焊接、激光切割、激光熔覆和修復(fù)等方面介紹激光加工技術(shù)在*裝備制造和維修中潛在的應(yīng)用。

1 激光焊接

激光焊接是將光斑非常細(xì)小高強(qiáng)度的激光照射到工件表面,通過激光與物質(zhì)的相互作用,使作用區(qū)域內(nèi)的母材局部快速熔化、汽化,實(shí)現(xiàn)焊接。許多試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用表明,激光焊接有不少優(yōu)點(diǎn):焊接速度高;焊縫小,焊接熔深大;熱影響區(qū)窄,焊接變形??;在操作過程中無污染;容易實(shí)現(xiàn)自動化,能自動焊接復(fù)雜形狀;無需后續(xù)工序。采用單熱源激光焊接也存在不足,如激光對母材的作用時(shí)間短,冷卻速度快,可能在焊縫中生成氣孔、疏松和裂紋等缺陷;由于激光光斑直徑很小,熱作用區(qū)域很小,對被焊接母材端面接口要求高,裝配精度要求高;材料表面狀態(tài)和溫度影響材料表面對激光的吸收效果等。

為消除或減少單熱源激光焊接的缺陷,在保持激光加熱的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,利用其他熱源的加熱特性來改善激光對工件的加熱,從而形成了激光與其他熱源一起的激光復(fù)合焊接,主要有激光與電弧、等離子弧、高頻感應(yīng)熱源復(fù)合焊接以及雙激光束焊接等[2]。

圖1 激光電弧復(fù)合焊原理示意圖

在造船業(yè)中應(yīng)用的激光復(fù)合焊工藝是激光與氣體金屬電弧焊[3,4],圖1 是其原理示意圖。激光與電弧復(fù)合焊接是在激光束附近外加電弧,利用電弧的熱作用范圍較大,電弧對被焊母材進(jìn)行預(yù)熱,使母材溫度升高,提高了材料對激光的吸收率,緩和激光焊接對接口的要求。同時(shí),由于激光束具有對電弧的聚焦、引導(dǎo)作用,使焊接熔深大大增加,可以提高電弧的焊接速度和焊接質(zhì)量。另外,電弧熱作用范圍大,熱影響區(qū)加大,使溫度剃度減小,冷卻速度降低,減少或消除氣孔或裂紋的生成。

為了提高造船業(yè)的競爭能力和滿足顧客的需要,降低船體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵工藝之一——焊接的總工時(shí)量和焊接引起薄板的熱變形,德意志聯(lián)邦教育和研究部的資助Meyer Werft 造船廠從1994 年起開展了“金屬三明治形的鑲板”(Metallic Sandwich Planes)結(jié)構(gòu)激光焊接方法的研究,并演變成為歐洲SANDWICH研究計(jì)劃[5]。1998 年,意大利Fincantier 造船廠建立了用18KW CO2 激光可焊接長達(dá)16m、板厚度達(dá)20mm的激光焊接工作站[4];1999~2001 年,在Meyer Werft,建立了一個(gè)新型*激光加工生產(chǎn)車間,采用自動化的模塊生產(chǎn)方式,用不同強(qiáng)度級別、厚度的鋼制造鋼結(jié)構(gòu),其激光復(fù)合焊接站能夠生產(chǎn)20m×20m 的平面分段。采用激光復(fù)合焊接方式,達(dá)到了生產(chǎn)高度的柔性化和高生產(chǎn)效率與減少熱變形的組合[5]。

歐、美等國將激光/氣體金屬電弧復(fù)合焊用于其艦船的建造,如通過對HY-80 鋼激光復(fù)合焊接的試樣進(jìn)行拉伸、沖擊、動態(tài)撕裂、爆炸等試驗(yàn),在恰當(dāng)?shù)暮附庸に嚄l件下,焊接接頭的性能均滿足美國軍標(biāo)對HY-80 鋼的性能要求[6]。

日本科研人員用激光焊接修復(fù)水下核反應(yīng)堆壓力容器[7],其工藝示意圖如圖2。激光焊接是在水壓達(dá)到0.4MPa,采用氣保護(hù)的條件下,用激光功率3~4KW 的Nd:YAG 激光器,以4.2~33.3mm/s 的速度,填充SUS308L 不銹鋼材料,焊接10mm 厚的SUS304 不銹鋼,得到了無焊接缺陷的深熔焊縫。

圖2 水下激光焊接工藝示意圖[7]

香港工業(yè)大學(xué)的研究人員用2KW 連續(xù)Nd:YAG 激光重熔錳鎳鋁青銅(MAB)螺旋槳表面,通過研究發(fā)現(xiàn)[]:與鑄造的相比,激光表面重熔處理后的螺旋槳表面在3.5wt% NaCl 人造海水中耐空泡腐蝕能力增加了5.8 倍,甚至超過了鎳鋁青銅(NAB)。因此,激光表面重熔可以提高螺旋槳的空泡腐蝕能力和腐蝕阻力[8]。

對鋁和鋼這種熔點(diǎn)相差懸殊,線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性和熱容量差別大的異種材料的激光焊接研究表明,只要制定合適的激光焊接工藝,是可以得到結(jié)合強(qiáng)度較高、焊縫質(zhì)量好的異種材料的焊接接頭[9,10]。

2 激光切割

激光切割是用高功率密度的激光直接聚集在切割零件的表面,產(chǎn)生足以使被切割材料熔化甚至汽化的溫度,再輔以噴射氣體吹化,從而達(dá)到分離材料的目的。與其它常規(guī)的加工方法相比,如水切割,氧-乙炔,激光切割所形成的割縫窄,質(zhì)量(精度)高,能提高零件尺寸精度和材料利用率;割縫質(zhì)量好,無掛渣、邊緣垂直、表面光滑;激光切割因能量密度高,切割熱影響區(qū)?。患す馇懈罟ぜo機(jī)械變形,易于與自動化裝備相結(jié)合,容易實(shí)現(xiàn)切割自動化,無刀具磨損,因此,效率高,速度快和柔性高。激光板材切割已經(jīng)實(shí)用化,沒有鋸屑,可在任何方向切割任何圖形,沒有工具的磨損和噪聲,在加工精度、成品率以及可變性等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的加工方法。

圖3 Odense 船廠激光加工車間[11]

激光切割技術(shù)有三十多年的發(fā)展歷史,根據(jù)2000年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1],*用于工業(yè)切割的激光加工系統(tǒng)有40000臺(套),其中美國占了將近30000套,德國和日本僅次于美國,各擁有激光切割系統(tǒng)近5000臺。在歐洲一些造船廠,為了滿足船體的模塊化建造需要,紛紛建立了激光切割車間,圖3是丹麥Odense鋼質(zhì)造船廠(Odense Steel Shipyard)的激光切割車間[11],在數(shù)控機(jī)床的引導(dǎo)下,其工作范圍在1m×4m×16m。James Harris 和 Milan Brandt[12]用Nd:YAG激光器進(jìn)行了16~50mm低碳鋼板的切割試驗(yàn)研究,各種工藝條件下的切口情況如圖4??梢姡诤线m的工藝參數(shù)條件下*可以得到的割縫。

圖4 激光功率和切割速度對低碳鋼厚板切口的影響[12]

美國阿拉巴馬州的Bender 船舶修造公司研究了用功率小于2KW 的CO2 激光器和(增壓)氧氣組合的“LASOX”切割新工藝[13],成功地切割了50mm 厚的鋼板;在切割38mm 厚的鋼板研究試驗(yàn)表明,每切割一張鋼板比火焰切割平均節(jié)省時(shí)間40min,大大降低了作業(yè)成本。該公司稱一旦克服此技術(shù)現(xiàn)有的缺點(diǎn),這種激光輔助切割技術(shù)將被用于潛水艇的建造,這將使新一代鋼鐵艦船的建造費(fèi)用更加便宜。

3 激光熔覆和修復(fù)

激光表面合金化與熔覆是用能量密度高的激光照射材料表面,使激光束掃描的母材和添加的材料快速熔化快速凝固,在金屬材料表面原位制造出高合金化,高性能的表面強(qiáng)化層的新技術(shù)。利用激光表面合金化與熔覆新技術(shù)可以有效提高金屬材料的硬度、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、疲勞裂紋擴(kuò)展抗力和磨損疲勞壽命等性能;在機(jī)器、設(shè)備的易磨損或易腐蝕部位,采用激光在其表面熔覆具有耐磨、耐蝕、耐熱等優(yōu)異的綜合性能的熔覆層,從而可以大大延長機(jī)器、設(shè)備的使用壽命;在保證原零件尺寸和材料性能的條件下,可以對磨損的零件表面進(jìn)行修復(fù),實(shí)現(xiàn)廢物的再利用。

激光表面合金化與熔覆技術(shù)的研究和發(fā)展已有近三十年的歷史,是近年來發(fā)展zui快,也是zui成熟的現(xiàn)代*的表面處理技術(shù)。與傳統(tǒng)的表面處理技術(shù),如堆焊﹑噴鍍、熱噴涂、噴焊等技術(shù)相比,激光表面處理技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):熔覆層與基體可以形成牢固的冶金結(jié)合,界面結(jié)合強(qiáng)度高;可以獲得低稀釋率的熔覆層;熱影響區(qū)和熱變形小使得工件變形小、自動化程度高;激光表面處理屬于快速凝固過程,容易得到細(xì)晶組織或形成常規(guī)處理無法得到的新相等。當(dāng)然,它也存在不足,主要有兩點(diǎn):一個(gè)是熔覆層可能出現(xiàn)裂紋,尤其在熔覆層硬度高時(shí);另一個(gè)是采用的大功率激光器購買和維護(hù)費(fèi)用較高,增加了產(chǎn)品成本。但是,只要采用恰當(dāng)?shù)墓に嚧胧┦强梢员苊馊鄹矊赢a(chǎn)生裂紋;對于精密零部件、大型零件的修復(fù),由于零件的本身的價(jià)值高,這樣可以克服成本因素帶來的不利影響,因此,激光表面合金化和熔覆被譽(yù)為“綠色再制造技術(shù)”。

圖5 激光熔覆修復(fù)的傳動軸[15]

國外目前已經(jīng)將激光表面合金化與熔覆技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中[14,15],圖5 是一個(gè)典型的傳動軸,由于花鍵磨損不能繼續(xù)使用而報(bào)廢,但是經(jīng)過激光熔覆修復(fù)就延長了被視為廢物的壽命,激光修復(fù)后,整個(gè)修復(fù)部位也沒有產(chǎn)生變形,也不需要任何熱處理就可以直接使用;圖6 是激光熔覆齒輪軸頸的裝置。在澳大利亞就建立了激光熔覆技術(shù)中心,為激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用提供和工藝操作培訓(xùn)。

圖6 激光熔覆齒輪軸頸的裝置[15]

4 結(jié)束語

*的激光加工技術(shù)在民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,激光加工技術(shù)正朝著智能化、集成化方向發(fā)展,激光加工顯示出低成本、率、高柔性的特點(diǎn)。將其引入到裝備制造和維修將會豐富裝備維修保障方法、手段,提高維修保障能力,并帶來潛在的經(jīng)濟(jì)效益。


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