先进激光制造技术课件(先进激光加工技术)

激光加工技术都有哪些分类？

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

先进激光制造技术课件(先进激光加工技术)

先进激光制造技术课件(先进激光加工技术)

先进激光制造技术课件(先进激光加工技术)

先进激光制造技术课件(先进激光加工技术)

激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，传统上看，它的研究范围一般可分为以下9个方面：

1、激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统；

2、激光加工工艺。包括焊接、表面处理、打孔、打标、微调等各种加工工艺；

3、激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器；

4、激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器；

5、激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器；

6、激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体打孔用YAG激光器的平均输出功率已由400w提高到了800w至1000w。国内比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器；

7、激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主；

8、激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成，多用于模具和模型行业。使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主；

9、激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应用广泛。使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。

激光加工为工业制造提供了一个清洁无污染的环境及生产过程，而这也是当下激光加工的优势。

激光加工（加工）水射流切割加工的工作原理是怎样的？

激光加工技术 国外激光加工设备和工艺发展迅速，现已拥有100kW的大功率CO 2激光器、kW级高光束质量的Nd:YAG固体激光器，有的可配上光导纤维进行多工位、远距离工作。激光加工设备功率大、自动化程度高，已普遍采用CNC控制、多坐标联动，并装有激光功率、自动聚焦、工业电视显示等辅助系统。 激光制孔的小孔径已达0.002mm，已成功地应用自动化六坐标激光制孔专用设备加工航空发动机涡轮叶片、燃烧室气膜孔，达到无再铸层、无微裂纹的效果。激光切割适用于由耐热合金、钛合金、复合材料制成的零件。目前薄材切割速度可达15m/min，切缝窄，一般在0.1～1mm之间，热影响区只有切缝宽的10%～20%，切割厚度可达45mm，已广泛应用于飞机三维蒙皮、框架、舰船船身板架、直升机旋翼、发动机燃烧室等。 激光焊接薄板已相当普遍，大部分用于汽车工业、宇航和仪表工业。激光精微焊接技术已成为航空电子设备、高精密机械设备中件封装结点的连接的重要手段。激光表面强化、表面重熔、合金化、非晶化处理技术应用越来越广，激光微细加工在电子、生物、医疗工程方面的应用已成为无可替代的特种加工技术。激光快速成型技术已从研究开发阶段发展到实际应用阶段，已显示出广阔的应用前景。 国内70年代初已开始进行激光加工的应用研究，但发展速度缓慢。在激光制孔、激光热处理、焊接等方面虽有一定的应用，但质量不稳定。目前已研制出具有光纤传输的固体激光加工系统，并实现光纤耦合三光束的同步焊接和石英表芯的激光焊接。完成了激光烧结快速成型原理样机研制，并采用环氧聚脂和树脂砂烧结粉末材料，快速成型出典型零件，如叶轮、齿轮。 激光加工技术今后几年应结合已取得的预研成果，针对需求，重点开展无缺陷气膜小孔的激光加工及实时检控技术、高强铝(含铝锂、铝镁)合金的激光焊接技术、金属零件的激光粉末烧结快速成型技术、激光精密加工及重要构件的激光冲击强化等项目的研究。实现高温涡轮发动机气膜孔无缺陷加工，可使叶片使用寿命达2000小时以上；以焊代替数控加工飞机次承力构件，以及带筋壁板的以焊代铆；实现重要零部件的表面强化，提高安全性、可靠性等，从而使先进的激光制造技术在军事工业中发挥更大的作用 [编辑本段]加工技术 加工基本原理： 在工件和工具间加入磨料悬浮液, 由发生器产生超声振荡波, 经换能器转换成超声机械振动, 使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工表面, 把硬而脆的被加工材料局部破坏而撞击下来。在工件表面瞬间正负交替的正压冲击波和负压空化作用下强化了加工过程。因此,加工实质上是磨料的机械冲击与冲击及空化作用的综合结果。 在传统加工的基础上发展了旋转加工, 即工具在不断振动的同时还以一定的速度旋转, 这将迫使工具中的磨粒不断地冲击和划擦工件表面, 把工件材料粉碎成很小的微粒去除, 以提高加工效率。 加工精度高, 速度快, 加工材料适应范围广, 可加工出复杂型腔及型面, 加工时工具和工件接触轻, 切削力小, 不会发生烧伤、变形、残余应力等缺陷, 而且超声加工机床的结构简单, 易于维护。 水射流切割加工 超高压水射流切割机是将普通的水通过一个超高压加压器，将水加压至3000bar，然后通过通道直径为0.3mm的水喷嘴产生一道约3倍音速的水射流，在计算机的控制下可方便的切割任意图形的软材料，如纸类、海绵、纤维等，若加入砂料增加其切割力，则几乎可以切割任意材料.

激光加工技术的发展应用

您好喔 这些是应用方面的喔

1、激光加工技术

激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。

激光加工的原理及特点是什么？

激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表

面性能。

由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特性，因此就给激光加工带来如下一些其它方法所不具备的可贵特点

● 由于它是无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形；

● 激光加工过程中无""磨损，无"切削力"作用于工件；

● 激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影 响极小。因此，其热影响的区小工件热变形小后续加工小；

● 由于激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，极易与数控系统配合、对复杂工件进行加工因此它是一种极为灵活的加工方法；

● 生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和效益好 激光加工的优势

激光成型技术介绍及应用

激光成型一般指激光快速成型

激光快速成型（LaserRapidPrototyping：LRP）是将CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技术。与传统制造方法相比具有：原型的性、互换性高；制造工艺与制造原型的几何形状无关；加工周期短、成本低，一般制造费用降低50%，加工周期缩短70%以上；高度技术集成，实现设计制造一体化。[1]

中文名：激光快速成型

外文名：Laser Rapid Prototyping

简 称：LRP

立体光造型(SLA) 技术

技术分类

1、立体光造型(SLA)技术

SLA技术又称光固化快速成形技术，其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层（约十分之几毫米）产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在激光点之外，因而加工精度高 ），表面质量好，原材料的利用率接近，能制造形状复杂、精细的零件，效率高。对于尺寸较大的零件，则可采用先分块成形然后粘接的方法进行制作。

2、选择性激光烧结(SLS)技术

SLS技术与SLA技术很相似，只是用粉末原料取代了液态光聚合物，并以一定的扫描速度和能量作用于粉末材料。该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点，适用于原型及功能零件的制造。在成形过程中，激光工作参数以及粉末的特性和烧结气氛是影响烧结成形质量的重要参数。

3、激光薄片叠层制造(LOM)技术

LOM工艺又称为分层实体制造，是一种常用来制作 模具的新型快速成形技术。起原理是先用大功率激光束切割金属薄片，然后将多层薄片叠加，并使其形状逐渐发生变化，终获得所需原型的立体几何形状。LOM技术制作冲模，其成本约比传统方法节约1/2，生产周期大大缩短。用来制作合模、薄料模、级进模等，经济效益也甚为显著，该技术在国外已经得到了一定的使用。虽然LOM工艺在快速原型市场中层位居第二位，但由于格高、精度低，材料浪费，系统设备比较复杂，工作性能不稳定等缺点导致其地位日益下降。

4、激光诱发热应力成形(LF)技术

LF技术的原理是基于金属热胀冷缩的特性，即对材料进行不均匀加热，产生预定的塑形变形。该技术具有无模具成形、无外力成形、非接触式成形、热态累积成形等特点。该技术已被用于汽车覆盖件的柔性校平和其他异形件的成形等。

6、激光熔覆成形(LCF)技术

LCF技术是利用具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料熔覆在基体材料表面与基材相互熔合，形成与基体成分和性能完全不同的合金熔覆层。其优点是：激光熔覆的作用不仅仅是提高材料表面层的性能，而是赋予它新的性能，并降造成本和能耗，节约有限的战略金属元素。与其他快速成型技术的区别在于，激光熔覆成形能制成非常致密的金属零件，其强度达到甚至超过常规铸造或锻造方法生产的零件，因而具有良好的应用前景。到90年代末和21世纪初，各种不同名称的快速制造技术得到深入研究和快速发展：激光近形（LENS）技术、Lasform成形工艺、DLF成形工艺、SDM成形工艺、CMB成形工艺、LAMP成形工艺，等等。

求“浅谈激光加工技术在模具制造中的应用”的。。

《模具工业》2001. No . 4 总 242 40

激 光 加 工 技 术 在 模 具 制 造 中 的 应 用

江苏理工大学(江苏镇江 212013) 张 莹 周建忠 戴亚春

[摘要]随着激光加工技术的日趋成熟和工业用大功率激光设备价格的逐渐下降 ,给产品和

模具的制造工艺带来了新的变革 ,在模具制造、 模具表面强化与维修、 取代模具等 3个方面 ,就

激光优化模具制造工艺作了较为详细的分析和探讨。

模具 激光 工艺优化

[ Abstract ]Wi t h t he mat uri ng of t he las e r p r oces si ng t echnology and t he dec r easi ng of p r of t he

i ndus t rial la r ge - p owe r las e r e quipme nt , a new i nnovat ion was br ought t o t he manuf act uri ng

t echnology of t he p r oduct s and t he dies and moulds . A r elat ively de t ailed ysis and dis cus sion

was made on t he las e r op t imized manuf act uri ng p r oces s f or dies and moulds f r om t hr e e asp ect s of

manuf act uri ng , s urf ace r ei nf orceme nt and mai nt e nance , and s ubs t i t ut ive dies or moulds .

Key words die and mould , las e r , t echnological p r oces s op t imizat ion

1 引 言

激烈的市场竞争使制造企业对快速响应市场

需求和一次制造成功等要求日益迫切。而在常规制

造系统中 , 产品生产所需大量模具的设计、制造和

装配调试不仅耗费大量资金 , 更的是延长了产

品生产的准备时间 , 从而延长了新产品开发周期 ,

形成制造过程中的瓶颈。因此 , 如何快速有效地制

造出高质量、低成本的模具及产品 , 就成为人们不

断探索的课题。随着激光加工技术的日趋成熟和工

业用大功率激光器设备价格的下降 , 给产品和模具

制造工艺带来了重大变革。本文在模具制造、模具

表面强化与维修、取代模具等 3个方面 , 就激光加

工在模具制造中的应用作一些探讨。

2 模具制造

2. 1 模具的激光叠加制造

1982年 ,日本东京大学的中川等人提出用

薄片叠加法制造拉伸模 , 1985年 , 美国加州某公司

推出了模具的激光叠加制造法 , 并获得专利 , 其工

艺流程见图 1 ,原理为将激光切割的多层薄板叠加 ,

并使其形状逐渐发生变化 , 终获得所需的模具立

体几何形状。日本在冲模的激光叠加制造方面已达

到实用阶段 ,所制的凸、 凹模质量高 ,加工尺寸精度

— — —— — —— — —— — —— — —— — ——

收稿日期:2000年8月10日

已达 ±0. 01mm ,切割厚度为 12mm。 经激光切割后 ,

在切口表面形成深 0. 1～0. 2mm、 硬度为 800HV 的

硬化层 ,用来冲裁 1mm 厚的钢板 ,单凭自冷硬化层

就可冲压 10 000 件 , 如在激光切割后再经火焰淬

火 ,则可冲压 3～5万件。 由于各薄板间的连接简单 ,

故用叠加法制作冲模 ,成本可降低一半 ,生产周期大

大缩短。用来制造复合模、落料模和级进模等都取

得了显著的经济效益。

图 1 激光叠加模具制造工艺流程

由模具 CAD 和激光切割相结合构成一个完整

的模具 CAD/ CAM 系统 ,实现板料切割的 FMS ,适

用于多品种小批量生产。用激光切割的薄板来叠加

合成任意三维曲面的制造系统 , 不仅为在塑性加工

和模具领域中实行 FMS 提供了思路 , 而且对于内

部结构复杂的模具制造 ,如型孔、 中孔体及复杂的冷

却管道等 ,也是快速而经济的制造模具的有效方法 ,

并且能带动其他技术如固相扩散等的发展。

2. 2 快速模具制造

模具 CAD

三维设计

二维外形

NC 程序

激光

切割

去除

梯级

创层面

精加工

成形

模具

装配

薄片

连结

精加工

NC 程序

模 具 制 造 技 术《模具工业》2001. No . 4 总 242 41

快速成型制造技术(RPM)是 80年代后期出现

的一项制造技术 , 目前 RPM 技术已发展了十几种

工艺方法。基于 RPM 技术快速制造模具的方法多

为间接制模法 , 即利用 RPM 原型间接地翻制模

具。

(1) 软质简易模具 (如汽车覆盖件模具) 的制

作。采用硅橡胶、低熔点合金等将原型准确成

模具 , 或对原型表面用金属喷涂法或物理蒸发沉积

法镀上一层熔点极低的合金来制作模具。这些简易

模具的寿命为 50～5 000件 ,由于其制造成本低 ,制

作周期短 , 特别适用于产品试制阶段的小批量生

产。

(2) 钢质模具制作。RPM 原型 — — — 三维砂轮

— — — 整体石墨电极 — — — 钢模 ,一个中等大小、 较为复

杂的电极一般 4～8h 即可完成。 美国福特汽车公司

用此技术制造汽车覆盖件模具取得了满意的效果 ,

与传统机械加工制作模具相比 , 快速模具制造省去

了耗时、 昂贵的 CNC加工 ,加工成本及周期大大降

低 ,具有广阔的应用前景。

3 模具表面强化与修复

为提高模具的使用寿命 , 常常需对模具表面进

行强化处理。常用的模具表面强化处理工艺有化学

处理 (如渗碳、 碳氮共渗等) 、 表层复合处理 (如堆

焊、 热喷涂、 电火花表面强化、 PVD 和 CVD 等) 以

及表面加工强化处理(如喷丸等) 。这些方法大多工

艺较为复杂 , 处理周期较长 , 且处理后存在较大的

变形。采用激光技术来强化和修复模具 , 具有柔性

大 , 表面硬度高 , 工艺周期短 , 工作环境洁净等优

点 ,因此具有很强的生命力。

3. 1 激光相变硬化

激光相变硬化 (激光淬火) 是利用激光辐照到

金属表面 , 使其表面以很高的升温速度达到相变温

度 (但低于熔化温度) 而形成奥氏体 ,当激光束离开

后 , 利用金属表面本身热传导而发生自淬火 , 使金

属表面发生马氏体转变 , 形成硬度高、抗磨损的表

层 , 从而使金属表面得到强化。所用设备为三轴联

动的数控激光加工机。

影响激光强化的主要因素有激光功率、光斑尺

寸和扫描速度。在强化过程中要对这些参数进行优

化 , 并对具体材料选择合适的激光处理参数。对于

CrWMn、 Cr12MoV、 Cr12、 T10A 及 Cr-Mo 铸铁等

的常用模具材料 , 在激光处理后 , 其组织性能较常

规热处理普遍改善。 例如 ,CrWMn 钢在常规加热时

易在奥氏体晶界上形成网状的二次碳化物 , 显著增

加工件脆性 ,降低冲击韧性 ,使用在模具刃口或关键

部位寿命较低。采用激光淬火后可获得细马氏体和

弥散分布的碳化物颗粒 ,清除网状 ,并获得硬化

层深度以及硬度 1 017. 2HV。Cr12MoV 钢激

光淬火后的硬度、抗塑性变形和抗粘磨损能力均较

常规热处理有所提高。对 T8A 钢制造的凸模和

Cr12Mo 钢制造的凹模 ,激光硬化深 0. 12mm ,硬度

1 200HV , 寿命提高 4～6倍 , 既由冲压 2万件提高

到 10～14万件。 对于 T10钢 ,激光淬火后可获得硬

度 1 024HV、 深 0. 55mm 的硬化层;对于 Cr12 ,激光

淬火后可获得硬度 1 000HV、 深 0. 4mm 的硬化层 ,

使用寿命均得到了较大的提高。

3. 2 激光涂覆

激光涂覆是用激光在基体表面覆盖一层薄的具

有一定性能的涂覆材料 , 这类材料可以是金属或合

金 ,也可以是非金属 ,还可以是化合物及其混合物。

在涂覆过程中 , 涂覆层在激光作用下与基体表面通

过熔合迅速结合在一起。它与激光合金化的主要区

别在于经激光作用后涂层的化学成分基本上不变

化 , 基体的成分基本上不进入涂层内。激光涂覆工

艺实用的材料范围很广 , 正在研究的母体材料有低

碳钢、 合金钢、 铸铁、 镍铬钛耐热合金等 ,研究的添加

材料有钴基合金、 铁基合金和镍基合金等。

采用激光技术在有送粉器的 2kW CO2 激光器

上 , 对 4Cr5MoV1Si 钢基体表面涂覆一层由镍基高

温合金和 WC + W2C 粒子组成的高温耐磨合金粉

末 ,在激光功率 P = 1 500W ,送粉量为 10g/ min ,工

件移动速度为 2～3mm/ s 条件下 ,获得多道搭接的

大面积高温耐磨合金。 在试验温度为 600℃ 时 ,硬度

为 550～580HV0 .2 ; 在温度为 950℃时 , 硬度为

100～200HV0 .2。 可见在 1 000℃ 左右高温下 ,涂覆层

仍有很高的强硬性 , 是较理想的高温模具耐磨合

金。另外 , 采用激光涂覆方法来修复已磨损的冲模

及拉伸模等 ,可大大延长模具的使用寿命 ,降低模具

的使用成本。

3. 3 激光堆焊

对于一些汽车覆盖件冲裁修边模具 , 为提高使

用寿命 ,节省优质模具材料 ,刃口往往采用在较的

基体材料上堆焊一层性能优异的合金。 过去 ,堆焊大

多采用人工氧 — 乙炔火焰堆焊法 ,这种方法虽然设备《模具工业》2001. No . 4 总 242 42

费用低 ,但功率密度不高(10

2～10

3W/ cm 2

) ,且难以

进行控制 , 因而堆焊质量和生产率都较低。70

年代以来 , 开发成功了等离子粉末堆焊技术 , 由于

其具有较高的功率密度且控制性能也较好 , 因而得

到了广泛的应用。但等离子堆焊存在着电极寿命

短、 堆焊层母材稀释率较高等问题。80年代以来出

现的激光堆焊法与使用同一材料的氧 —乙炔火焰

堆焊法相比 ,激光堆焊层组织细微、 致密 ,不良品率

仅为前者的 1/ 10。激光堆焊的速度快 ,生产率比氧

— 乙炔火焰堆焊高 1. 75倍 , 而堆焊的材料使用量

仅为其 1/ 2。而且激光堆焊层的室温硬度比氧 — 乙

炔火焰堆焊的高 50HV 左右。 激光堆焊质量与激光

的光束模式、 功率及堆焊速度等因素有关。

4 激光加工替代模具冲压加工

4. 1 激光切割替代薄板件的冲裁模

激光切割替代钣金件及汽车车身制造中的冲

裁修边模大有可为。三维激光切割技术 , 由于其本

身具有加工灵活和保证质量的特性 , 在 80 年代就

开始在汽车车身制造中应用。切割时只需用平直的

支撑块来支撑工件 , 因此夹具的制作不仅成本低而

且快速。由于与 CAD/ CAM 技术相结合 ,切割过程

易于控制 , 可实现连续生产和并行加工 , 从而实现

高效率的切割生产。

切割板材所使用的激光器主要有两大类 , 即

CO2 激光器和 Nd : YA G激光器 ,功率为 100～1 500

W , 因为功率小于 1 500W 的激光器其振动模式为

单模 , 切缝宽度为 0. 1～0. 2mm , 切割面也很整洁 ,

而输出功率大于 1 500W 时激光器的振动模式为多

模 , 割缝宽度近 1mm , 切割面质量较。因 Nd :

YA G的激光可通过光导纤维输送 , 比较灵活方便 ,

适用于机器人手执激光喷嘴配程序控制进行

作 , 因此在三维切割时大多采用。影响激光切割

工件质量的主要因素有切割速度、焦点位置、辅助

气体压力、 激光输出功率及模式。

美国福特和通用汽车公司以及日本的丰田、日

产等汽车公司 , 在汽车生产线上普遍采用激光切割

技术 , 它不必采用各种规格的金属模具 , 除了快速

方便地切割各种不同形状的坯料外 , 还用来大量切

割加工因规格不同需要更改的零件安装孔位置 , 如

汽车标志灯、 车架、 车身两侧装饰线等。通用汽车公

司生产的卡车仅车门就有直径为 <2. 8～<39mm 的

20种孔 , 公司采用 Rofin- Sinar 的 500W 激光器通

过光纤连接到装在机械手的焊头上 , 用以切割这些

孔 ,1min 就完成一扇门开孔的加工 ,孔边缘光滑 ,背

面平整 。<2. 8mm 孔的公为 0. 03～0. 08mm ,

<12mm 孔的公为 - 0. 25mm～ + 0. 03mm。该公

司生产的卡车和客车有 89 种孔径和孔位配置不同

的底盘 ,经过优化设计 ,现在只需要冲压 5种不同的

底盘 ,然后再由激光切割出配置不同的孔 ,简化了工

艺 ,提高了效率 ,降低了成本。

我国自然科学基金委在 1997 年把大功率 CO2

及 YA G激光三维焊接和切割理论与技术作为重点

项目进行资助 , 产学研激光技术中心的课题组

成员对此进行了系统的研究 , 为在我国汽车车身制

造业中应用三维激光立体加工技术做出了很大贡

献。该中心为一汽轿车公司、宝山钢铁公司等国有

大型企业的技术改造开展了重大工程项目攻关 , 其

中开发红旗加长型轿车覆盖件的三维激光制造工艺

技术 , 在我国轿车生产中是首次采用。在汽车用薄

厚钢板激光大拼板拼接工艺试验研究中首次采用了

激光切割替代精裁工艺技术 , 取得了较好的技术经

济效果。三维激光切割在车身装配后的加工也十分

有用 ,例如开行李架固定孔、 顶盖滑轨孔、 天线安装

孔、修改车轮挡泥板形状等。在新车试制中用于切

割轮廓和修正 ,既缩短了试制周期又节省了模具 ,充

分体现出采用激光切割加工的优点。

4. 2 激光打标替代冲模打标

企业在其生产的零部件上常常需要打上企业自

己的标志或特定的符号与数字 , 以往的方法是使用

冲模打标或用铸模成型 , 打标质量不高。采用数控

激光机打标不仅速度快 , 而且克服了冲模打标中常

见的毛边、尖锐的边缘和畸变。由于采用计算机控

制 , 因此可以打出任意复杂的图案 , 省去了模具设

计、 制造及调试等环节 ,大大缩短了产品的开发制造

周期 , 同时也降低了成本。因激光打标机所需功率

小 ,成本低 ,打出的标记美观、 漂亮 ,现已为大多数企

业所采用。

4. 3 激光成形替代弯曲模成形

金属板料的激光成形技术是一种利用聚焦光束

以一定的速度扫描金属板料表面 (扫描速度应足够

快以防止表面熔化) ,使热作用区内的材料产生明显

的温度梯度 ,导致非均匀分布的热应力 ,从而使板料

塑性变形的方法。与常规成形方法相比 , 激光成形《模具工业》2001. No . 4 总 242 43

具有许多优点: ① 属于无模成形 ,生产周期短 ,柔性

大 , 可不受加工环境限制 , 通过优化激光加工工艺

参数 , 控制热作用区域以及热应力的分布 , 将

板料无模成形; ② 因其是一种仅靠热应力而不用模

具使板料变形的塑性加工方法 , 因此属无外力成

形; ③ 为非接触式成形 ,所以不存在模具制作、 磨损

和润滑等问题 ,也不存在贴模、 回弹现象 ,成形精度

高; ④ 可使板料通过复合成形得到形状复杂的异形

件(如球形件、 锥形件和抛物形件等) 。

激光成形机理的实质就是弯曲机理。当激光加

热板料时 , 一方面在激光作用区及其周围产生热应

力 , 同时降低了被加热区域板料的屈服极根 , 从而

使热应力作用区的热态材料产生非均匀的塑性变

形 ,实现板料的弯曲成形。试验表明 ,激光每扫描一

道次 ,金属板料可弯曲 1° ～5° ,不同的扫描轨迹和工

艺参数组合能够产生不同的成形效果和不同程度

的变形量 , 即可得到各种复杂形状的工件。图 2表

示在工艺参数为激光速功率 1. 5kW , 激光束直径

5. 4mm , 材料 SUS304 , 厚 1mm , 碳涂覆面的条件

下 ,激光扫面速度与材料弯曲角之间的变化关系。

图 2 激光扫描速度对弯曲角的影响

现在世界上许多都投入较大的人力、物力

对激光成形技术进行专项研究 , 在某些领域现已开

始了初步的工业应用。波兰基础技术研究所的

HFrackiewicz 利用激光成形先后制造出了筒

形件、 球形件、 波纹管和金属管的扩口缩口、 弯曲成

形等;德国学者 MGeiger 等将激光成形与其他加工

工序复合运用于汽车制造业 , 进行了汽车覆盖件的

柔性校平和其他成形件的成形 , 而且对弯曲成形过

程进行计算机闭环控制 , 提高了成形精度。德国

Trumpf 公司于 1997 年开发了商品化激光成形多

用机床 Trumat ic L 3030。 相信随着研究的不断深入

以及其他相关技术的发展 , 激光成形技术将逐趋成

熟 ,进入实用化阶段。

5 结束语

激光加工技术作为一种先进的加工工艺 , 在国

外各行业已得到了广泛的应用 ,我国机械行业在 “九

五”期间也将其作为十大技术之一。自然科学

基金委也把激光加工工艺和激光加工设备的研究作

为重点研究项目进行资助 , 并明确指出其主要应用

领域应该在汽车制造业。模具作为一种工具 , 其生

产周期、质量和成本直接影响产品的制造过程和销

售。而激光作为一种加工工具 , 在减少模具制

造装备 ,缩短模具制造周期 ,降造成本和保证模

具质量等方面具有很大的优势。如何在实际生产中

应用激光加工技术来优化模具制造工艺 , 对传统的

模具制造工艺进行改进和组合 , 需要我们做出不断

的努力。

参 考 文 献

1 陈大明 ,徐有容 . 模具钢表面激光熔覆硬面合金层改性

研究.金属热处理 ,1998 , (1)

2 李懦荀 ,平雪良.连续激光强化模具刃口的工艺研究.电

加工 ,1995 , (6)

3 孙中发 . 我国激光产业发展对策.上海交通大学学报 ,

1997 , (10)

4 曹 能 ,冯 梅.激光加工技术在汽车工业中的应用 ,宝

钢技术 ,1998 , (3)

5 管延锦 ,孙升.激光快速成形与制造技术及其在汽车工

业中的应用.汽车工艺与材料 ,1999 , (9)

6 A Domenico . 加工汽车车身部件的三维激光切割技术 .

机电信息 ,1999 , (6)

7 周建忠 ,袁国定.应用激光强化技术提高覆盖件模具寿

命.模具工业 ,2000 , (4)

8 胡晓峰 . 基于数控激光切割的快速制模方法研究 . 江

苏理工大学硕士论文 ,1997.

9 M Geiger ,F Voll tert sen. Flexible St raightening of

car Body Shells by laser .

10 Bob Trving. Welding Tailorde Blanks. Welding Jou-

rnal ,1995 , (8)

11 M Geiger . Synergy of laser Material Porcessing and

Metal Forming. Annals of t he CIRP ,1994 ,43(2)

12 H Arnet ,F Vollert sen. Extending Laset bending

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Mech. Engrs. ,1995 , (209)

13 Trumf Lt d. The heat is on for laser profiler . Sheet

Metal Indust ries ,1997 , (1)

怎样制造出激光

意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“快的刀”、“准的尺”、“亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的50亿倍。它的原理早在 16 年已被的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践 迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的 出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。 激光产生编辑本段 若原子或分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1,E2和E1能级上的布居数密度为N2和N1，在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光，与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时，两种过程的几率相等。在热平衡情况下N2＜N1，所以受激吸收跃迁占优势，光通过物质时通常因受激吸收而衰减。外界能量的激励可以破坏热平衡而使N2＞N1,这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下，受激发射跃迁占优势。光通过一段长为l的处于粒子数反转状态的激光工作物质(激活物质)后，光强增大eGl倍。G为正比于(N2-N1)的系数，称为增益系数，其大小还与激光工作物质的性质和光波频率有关。一段激活物质就是一个激光放大器。

如果，把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜（其中至少有一个是部分透射的）构成的光学谐振腔中（图1），处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中，非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外：轴向传播的光波却能在腔内往返传播,当它在激光物质中传播时，光强不断增长。如果谐振腔内单程小信号增益G0l大于单程损耗δ(G0l是小信号增益系数)，则可产生自激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子（所谓自发辐射）。同样的，当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话，会导致原子从低能级向高能级跃迁（所谓受激吸收）；然后，部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子（所谓受激辐射）。这些运动不是孤立的，而往往是同时进行的。当我们创造一种条件，譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场，受激辐射得到放大从而比受激吸收要多，那么总体而言，就会有光子射出，从而产生激光。