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常规激光加工技术的发展与应用

随着加工技术的创新和进步,目前常规激光加工的技术,如钻孔、切断、表面改性等,都有不同程度的进展。

(一)钻孔

早期激光钻孔采用定点冲击法:即在一个位置上用脉冲激光束不停地加工,直至孔通。这种加工方法,使加工的孔深和孔径均受到限制。

高重复频率YAG激光器进入实用阶段后,出现了旋切钻孔法(Trepanning),即用专用光学旋转头或数控自动生成圆轨迹进行激光套料加工。这不仅消除了孔径限制,且由于有辅助吹气,加工区呈半敞开式,熔融物易排出,故孔表面质量好。

对于分布有大量相同规格小孔的零件,特别是回转体,当前又发展了飞行打孔法(Drilling on the fly),即激光对一个孔位加工一个脉冲后,不管孔是否打通,工件都利用光脉冲间隙快速运动(移动或转动)到下一个孔位,如此进行多次循环对同一位置多次冲击,直至完成所有孔的加工。其优点是激光脉冲间隙的时间被用作零件孔的位移,可大大提高加工速度。钻孔速度目前为每秒数10孔,预计可达每秒500孔 (亚毫米孔径)。技术的关键在于激光到达,工件必需运动到位,这对非均布孔来说有很大难度。用CNC闭环控制系统控制,当孔加工速率更高时,为保证圆的孔形,在激光作用时间内,激光束必须与零件同步运动。激光飞行打孔在航空零件加工中已得到了应用,环形燃烧室的冷却孔加工是典型的应用实例。此外,高速飞机的机翼和发动机进气道的前沿,气流极易与翼表面分离,形成紊流增大而气动力损失,为此,设计了有吸气功能的层流翼(短舱)套,其表面是由1mm厚的钛合金板制成,上面分布了1200万至10亿个锥孔,外表面孔径0.06mm,内表面孔径为0.1mm,孔间距为0.3~1mm,层流翼套的小孔也是用飞行打孔法完成的。

对于微米量级孔径的筛孔,用准分子激光或调Q的YAG激光快速扫描加工(每秒可加工数千孔)可得到满意的结果。

(二)切割

激光切割近期仍以CO 2 激光为主,随着器件功率的加大,切割深度和速度都有大幅度提高。为提高加工质量,采用高压吹气(压力达1.6~2.0MPa),用 3.4kW的功率的CO 2 激光可切割5~6mm厚度的铝板,切口光滑,正、背面不留熔渣。值得提出的是采用两束激光复合切割材料,能取得更低的能耗。图1是两种激光复合切割的实验装置示意图。试验表明,用CO(270W)激光与KrF (30W)激光复合切割,比单用一束CO(300W)激光切割碳钢可提高速度30%,切割厚度可增加40%以上。

(三)焊接

激光焊接在仪器仪表业中早有应用,近期研究方向主要集中在航空航天工业中的高温合金、钛合金和铝、镁等难焊接合金的加工;汽车工业中的大厚度、变厚度钢材的深穿透焊接方面。

大型客机发动机短舱的吊挂采用2.5kW CO 2 激光焊接技术;发动机的压缩机静子是由激光切割叶型孔后再用激光将叶片和外环焊在一起构成,用2kW连续输出的YAG激光设备加工,焊接速度达7m/min。

在汽车行业中,激光焊接所占比例已逐年上升,从车身面板同样材料的焊接发展到不同厚度和不同表面涂层的金属板件的焊接。法国SCIAKY公司建立了一个 6kW的 CO 2 激光加工站,用分光镜将激光束分到12个工位同时进行点焊,5秒钟可焊一件,不仅节省了6~12个电阻点焊机器人,而且因减少搭接宽度使汽车重量减轻 56kg。

激光焊接技术研究的前沿,一是大功率或超大功率焊接时,对出现的等离子体的控制,采用侧向吹气压缩法,将等离子云压在熔池形成的缝中来改善等离子云的屏蔽行为。另一个动向是采用模糊逻辑的方法,对焊接过程进行智能控制,这对变厚度变参量的焊接过程具有重要意义。

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