金属材料加工工艺中激光技术应用分析

时间:2017-11-22 11:09:17 材料毕业论文 我要投稿

金属材料加工工艺中激光技术应用分析

  激光技术是20世纪一项举世瞩目的科技成就,为人类各项事业的发展做出了突出贡献,下面是小编搜集整理的一篇探究金属材料加工工艺中激光技术应用的论文范文,欢迎阅读查看。

金属材料加工工艺中激光技术应用分析

  摘 要:激光加工技术具有工艺集成性好、加工效率高、加工质量好、适应性强、经济效益高等优点,成为诸多行业不可或缺的技术元素。目前,激光切割、激光焊接、激光打孔、激光打标、激光表面热处理等激光加工技术已不同程度地应用于金属材料加工工艺。为提高应用实效,应优化激光工作参数,建立健全加工作业数据库;大力发展激光多工位分时综合加工;努力实现激光加工的自动化和无人化。

  关键词:金属材料;加工工艺;激光技术

  近些年,激光技术的应用范围不断扩大,已经渗透到农业、工业、国防、科研等诸多领域。就材料加工领域来说,激光技术凭借自身独特的优势,俨然已经成为其不可或缺的发展元素。然而,由于各种限制因素的影响,激光技术在该领域的应用价值并未得到充分体现,应用潜能也并未得到充分挖掘。对此,本文以金属材料加工为研对象,从基本特征、应用现状、应用前景三个角度对相关问题进行了如下的分析和探讨。

  1 激光加工的基本特征

  激光既具有时间控制性,又具有空间控制性,使其能够满足自动化加工的要求。因此,激光加工系统可以与计算机数控技术交相呼应,生成便捷、优质、高效的自动化加工设备,进而实现加工工业的低成本、高效率、高利润。总体而言,激光加工技术具有以下几项基本特征:

  ①工艺集成性好。一方面,同一台机床可同时具备多种加工工艺,如切割、焊接、打孔、表面处理等;另一方面,同一台机床可同时实现多种工艺同步进行或者不同工艺分步进行的效果。

  ②加工效率高。与其它加工工艺相比,激光加工工艺可以极大地提高加工效率。例如,激光切割效率是一般切割的15倍;激光焊接效率是传统焊接的25倍;激光打孔效率是机械打孔的40 000多倍。

  ③加工质量好。激光加工大多采用非接触式加工方式,而且能量密度高,为加工质量提供了可靠的保障。

  ④适应性强。激光加工可适用于各种材料,如高强度材料、高熔点材料、高硬度材料等等。同时,激光加工既可适用于大气环境,也可适用于真空环境,体现了其适应性强的特点。

  ⑤经济效益高。提高经济效益,是激光加工最显著的特征。以激光打孔为例,它能比一般打孔技术节省25%~75%的直接费用和50%~75%的间接费用。

  2 激光技术在金属材料加工工艺中的应用现状

  2.1 激光切割

  激光切割是一项重要的激光加工工艺,也是材料加工行业不可或缺的应用技术。目前,激光切割主要应用于薄板材料加工,如电梯控制板、仪表板、木模板等。而在金属材料加工方面,激光切割还稍显滞后,这也是其今后一段时期内重要的发展方向。

  通用、福特、丰田等世界知名的汽车公司,就将激光切割技术广泛应用于汽车组装生产线上。与其它切割技术相比,激光切割可以在最小基本面板内实现不同规格、不同精度零件的加工,摒弃金属模的限制,进而取得良好的加工效果。此外,激光切割还广泛应用于各类不锈钢工件的切割。无论是加工数量,还是加工质量,都呈现出良好的发展势头。当前,激光切割技术逐步应用于机械制造行业,成为行业发展的重要支撑。输出功率为2 kW的CO2激光器是目前比较常用的切割器械,可切割不锈钢的最大厚度为8毫米,普碳钢的最大厚度为12 mm。

  2.2 激光焊接

  依据服务对象和使用器件的不同,激光焊接主要包括两种类型的机制,一种是深熔焊,主要应用于机械制造行业;另一种是传导焊,主要应用于电子电气行业。

  从目前的发展态势看,激光焊接技术不断渗透到汽车行业,为行业发展提供了必要的技术支撑。具体而言,这种应用主要体现在以下两个方面:首先,传动件焊接。当前,激光焊接技术可满足汽车传动系统中70%的零件的焊接需求。与其它焊接技术相比,激光焊接不仅可以提高零件的使用寿命,而且可以降低零件的使用成本,体现出其独特的应用价值。其次,焊接组合件。简单地说,焊接组合件就是将分散的平板工件焊接成体、冲压成形。通过焊接组合件,既可以减少工件数量,也可以提高部件性能,还可以减轻车体重量,进而优化汽车的整体性能。以雅阁汽车为例,它的车门是由1.4 mm的钢板和0.7 mm的.薄板拼焊冲压而成,降低了40%的车门重量。

  此外,激光焊接技术凭借其坚固性强的特点,还广泛应用于刀具、刃具、量具制造行业。例如,我国圆锯片的年产量超过1 000万片,不仅满足了建筑行业对高质量锯片的迫切需求,而且保障了国外锯片市场的有效供给。

  2.3 激光打孔

  激光打孔是一项传统的、实用的激光材料加工技术。与其它技术相比,激光打孔具有精度高、效率高、效益高等优势,成为当前制造行业不可或缺的技术元素。从20世纪末,激光打孔技术的发展速度明显加快,多元化倾向明显加强。而且,随着技术的不断完善,孔径越来越小,而性能却越来越高。粗略地计算,如果我们在飞机机翼上打上5万个半径为0.032 mm的小孔,就可以因为气流阻力的减小而节省40%的油量。在我国,激光打孔技术也有着相对较长的发展历史。早在20世纪60年代,我国就将该技术应用于钟表制造行业,目前其累计产值已超过23亿元人民币。然而,与发达国家相比,我国还存在着一定的差距。现如今,发达国家已将激光打孔技术广泛应用于医药制造、食品加工、飞机制造等行业领域,为其带来了巨大的物质和精神财富。

  2.4 激光打标

  激光打标技术是一项应用性极强的激光材料加工技术。它通过高密度、高能量的激光,对工部件实行局部照射,并依靠汽化、液化等各类化学反应,将标识永久性地留在工部件表面。当前,金属制品是激光打标技术应用最为广泛的行业领域。如刃具、量具、轴承等金属制品,都需要依赖激光打标技术为其打印标记。而且,激光打标可在丝毫不影响晶体的性能的情况下,将看似不可能的标记打印变为现实。此外,随着技术的不断进步,一些非金属制品,如大理石、玻璃、陶瓷等,也可以应用激光打标技术进行打标。近些年来,激光系统不断完善,目前平均最高功率可达250 WYAG,极大地加深了标记的深度,提高了标记的质量。而且,激光打标技术作为一种崭新的产品防伪手段,受到社会各界越来越广泛的关注。   2.5 激光表面热处理

  激光表面热处理主要表现在两个方面:一是激光表面硬化。在激光表面硬化的作用下,马氏体的量会不断增加,进而导致零部件疲劳强度和耐磨性能的不断提高。同样是AISIl045型钢,在未经处理以前,钢的硬度仅为HRC35,而质量损耗却高达418 mg。而在同等条件下,激光表面硬化会增加HRC20的硬度,同时降低304 mg的能耗。可见,激光表面硬化会极大地提高物件硬度,降低物件质量损耗。现如今,激光表面硬化已不同程度地应用于汽车锭杆、凸轮轴、曲轴、缸套等物件的制造。从实际效果看,它不仅提高了物件的使用寿命,而且降低了物件的制造成本。二是激光熔覆与合金化。激光熔覆与合金化是以提升熔点的方式来增强加工材料的抗蚀性和耐磨性。该处理主要应用于熔点较低的材料。通过处理,使材料生成高熔点合金层,进而实现提升材料性能的目的。尽管激光熔覆与合金化有所区别,如涂层化学成分的变化趋向,但两者相辅相成,都是现实中不可或缺激光表面热处理方式。当前,激光熔覆与合金化主要应用于气门、阀门、齿轮齿面、铸铁模具等工件制造,为工件质量提供了着实的保障。

  3 激光技术在金属材料加工工艺中的应用前景

  基于激光技术在金属材料加工工艺中的应用现状,本文认为,可以通过以下几个方面的努力,来加强激光技术的应用范围和应用强度。

  第一,优化激光工作参数,建立健全加工作业数据库。众所周知,激光照射具有一定的可控性。无论是激光照射时间,还是激光照射范围,亦或是激光照射强度,都可以通过人为干预予以控制。正是基于这种特性,激光加工具有明显的多元化特征。因此,为了最大限度地发挥激光加工优势,可依据加工方式以及加工对象的不同,建立一套科学的、合理的、有效的工作参数,为激光加工提供可靠的标准。与此同时,也要建立健全加工作业数据库,依靠完善的数据库信息来提高激光加工质量和加工效率。

  第二,大力发展激光多工位分时综合加工。从理论的角度讲,同一束激光源也可以实现综合性的激光加工。因为,该激光源能够自主地控制激光照射时间和能量密度。在这种情况下,不同工位上分时可以实现多种方式的综合加工,激光切割、激光焊接、激光打孔、激光打标、激光表面热处理等激光技术能在同一台机械设备上完成,进而实现综合加工的效果。可见,大力发展激光多工位分时综合加工,是激光加工技术发展的必然趋势。

  第三,努力实现激光加工的自动化和无人化。为尽可能地节省人力消耗,提高加工效率,激光加工技术目前正朝着自动化和无人化的方向发展。而激光加工技术要想取得实质性地突破和发展,必须有强大的网络控制技术、自动控制技术、计算机生产辅助管理技术做保障。为此,应完善相关的技术配套设施建设,努力实现激光加工的自动化和无人化。

  4 结 语

  综上所述,在新时期,加强激光技术在金属材料加工工艺中的应用是一项非常系统的工程。为了夯实该项工程的基础,增强该项工程的实效,要注意以下几个问题:首先,要对加强激光技术在金属材料加工工艺中应用的必要性和重要性有一个清晰的认识;其次,要对激光技术在金属材料加工工艺中的应用现状有一个全面的分析;最后,要对加强激光技术在金属材料加工工艺中的应用路径有一个科学的把握。只有这样,才能最大限度地发挥激光技术的功效,才能真正实现金属材料加工事业又好又快的发展。

  参考文献

  [1] 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).

  [2] 黄江波,卢孟春.短脉冲光纤激光器主动锁模的研究[J].涪陵师范学院学报,2005,(5).