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激光加工在装备制造和维修中的研究与应用

2019-12-24 11:35:29东莞市德川激光科技有限公司

激光焊接是将光斑非常细小高强度的激光照射到工件表面,通过激光与物质的相互作用,使作用区域内的母材局部快速熔化、汽化,实现焊接。许多试验和实际应用表明,激光焊接有不少优点:焊接速度高;焊缝小,焊接熔深大;热影响区窄,焊接变形小;在操作过程中无污染;容易实现自动化,能自动焊接复杂形状;无需后续工序。
  1、激光焊接

  激光焊接是将光斑非常细小高强度的激光照射到工件表面,通过激光与物质的相互作用,使作用区域内的母材局部快速熔化、汽化,实现焊接。许多试验和实际应用表明,激光焊接有不少优点:焊接速度高;焊缝小,焊接熔深大;热影响区窄,焊接变形小;在操作过程中无污染;容易实现自动化,能自动焊接复杂形状;无需后续工序。采用单热源激光焊接也存在不足,如激光对母材的作用时间短,冷却速度快,可能在焊缝中生成气孔、疏松和裂纹等缺陷;由于激光光斑直径很小,热作用区域很小,对被焊接母材端面接口要求高,装配精度要求高;材料表面状态和温度影响材料表面对激光的吸收效果等。


  为消除或减少单热源激光焊接的缺陷,在保持激光加热的优点的基础上,利用其他热源的加热特性来改善激光对工件的加热,从而形成了激光与其他热源一起的激光复合焊接,主要有激光与电弧、等离子弧、高频感应热源复合焊接以及双激光束焊接等。


  欧、美等国将激光/气体金属电弧复合焊用于其舰船的建造,如通过对HY-80 钢激光复合焊接的试样进行拉伸、冲击、动态撕裂、爆炸等试验,在恰当的焊接工艺条件下,焊接接头的性能均满足美国军标对HY-80 钢的性能要求。


  香港工业大学的研究人员用2KW 连续Nd:YAG激光重熔锰镍铝青铜(MAB)螺旋桨表面,通过研究发现:与铸造的相比,激光表面重熔处理后的螺旋桨表面在3.5wt% NaCl 人造海水中耐空泡腐蚀能力增加了5.8倍,甚至超过了镍铝青铜(NAB)。因此,激光表面重熔可以提高螺旋桨的空泡腐蚀能力和腐蚀阻力。


  对铝和钢这种熔点相差悬殊,线膨胀系数、导热性和热容量差别大的异种材料的激光焊接研究表明,只要制定合适的激光焊接工艺,是可以得到结合强度较高、焊缝质量好的异种材料的焊接接头。


  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,产生足以使被切割材料熔化甚至汽化的温度,再辅以喷射气体吹化,从而达到分离材料的目的。与其它常规的加工方法相比,如水切割,氧-乙炔,激光切割所形成的割缝窄,质量(精度)高,能提高零件尺寸精度和材料利用率;割缝质量好,无挂渣、边缘垂直、表面光滑;激光切割因能量密度高,切割热影响区小;激光切割工件无机械变形,易于与自动化装备相结合,容易实现切割自动化,无刀具磨损,因此,效率高,速度快和柔性高。激光板材切割已经实用化,没有锯屑,可在任何方向切割任何图形,没有工具的磨损和噪声,在加工精度、成品率以及可变性等方面都优于传统的加工方法。


  激光表面合金化与熔覆是用能量密度高的激光照射材料表面,使激光束扫描的母材和添加的材料快速熔化快速凝固,在金属材料表面原位制造出高合金化,高性能的表面强化层的新技术。利用激光表面合金化与熔覆新技术可以有效提高金属材料的硬度、屈服强度、疲劳强度、疲劳裂纹扩展抗力和磨损疲劳寿命等性能;在机器、设备的易磨损或易腐蚀部位,采用激光在其表面熔覆具有耐磨、耐蚀、耐热等优异的综合性能的熔覆层,从而可以大大延长机器、设备的使用寿命;在保证原零件尺寸和材料性能的条件下,可以对磨损的零件表面进行修复,实现废物的再利用。


  激光表面合金化与熔覆技术的研究和发展已有近三十年的历史,是近年来发展最快,也是最成熟的现代先进的表面处理技术。与传统的表面处理技术,如堆焊﹑喷镀、热喷涂、喷焊等技术相比,激光表面处理技术具有以下优点:熔覆层与基体可以形成牢固的冶金结合,界面结合强度高;可以获得低稀释率的熔覆层;热影响区和热变形小使得工件变形小、自动化程度高;激光表面处理属于快速凝固过程,容易得到细晶组织或形成常规处理无法得到的新相等。当然,它也存在不足,主要有两点:一个是熔覆层可能出现裂纹,尤其在熔覆层硬度高时;另一个是采用的大功率激光器购买和维护费用较高,增加了产品成本。但是,只要采用恰当的工艺措施是可以避免熔覆层产生裂纹;对于精密零部件、大型零件的修复,由于零件的本身的价值高,这样可以克服成本因素带来的不利影响,因此,激光表面合金化和熔覆被誉为“绿色再制造技术”。

  先进的激光加工技术在民用领域得到了广泛的应用,激光加工技术正朝着智能化、集成化方向发展,激光加工显示出低成本、高效率、高柔性的特点。将其引入到装备制造和维修将会丰富装备维修保障方法、手段,提高维修保障能力,并带来潜在的经济效益。

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