激光在制造业中发挥新的作用

激光在铣削、弯曲和表面处理中发挥着新的作用。制造业的工程师们正在使用激光加工更多种类的材料，并将其应用于生产的更多方面。应用范围从样品和工具的快速原型制作到模具的激光硬化以及金属零件的连接和雕刻。用激光技术代替传统的表面处理方法，可以延长刀具的寿命，提高刀具和零件的性能。用激光束将合金材料掺入表面层可以改变表面的化学成分和特性。目前，激光表面处理主要应用于制造工具，特别是用于制造锻造和压铸模具。在理论热化学模型的帮助下，工程师们为工具和零件开发了新的表层。例如，当挤压模具处于高温时，由于接触时间长，它们将产生大的应变。然而，在工具中加入相和碳化钒后，工具的表面被改性，提高了其硬度保持能力、高温硬度和耐磨性。其他合金，包括含钨和金刚石的合金，也非常有用。一般来说，使用激光束掺杂合金的方法比传统方法可以提高刀具寿命100%-500%，减少刀具占用和刀具更换的相关费用，从而节约成本。激光表面处理技术还可以增强产品零件的性能。弗劳恩霍夫研究所的研究人员使用激光硬化密封表面和滑动导轨，凸轮轴的激光表面重熔和涂覆内燃机的气门和气门座。激光可用于硬化、重熔、合金掺杂和金属涂层，这为外表层的热化学改性创造了许多机会。通过这种变质处理生产的工件具有更高的承受各种应力的能力。激光束可以聚焦和精确定位，这使得激光技术适合于局部表面处理。用户可以选择性地处理容易磨损的区域，同时具有高再现性。利用激光技术，工程师可以加工出最佳的表面形貌，尤其是轴承和密封行业的产品。在这种相对较新的应用中，脉冲激光束可以在承受摩擦应力的表面上产生特定的微润滑孔。以这种方式产生的坑状结构主要受到达工件表面的激光束的几何形状和强度分布的影响。一般来说，任何有接触面的系统都会有摩擦应变，比如浮环等。激光器组件可以由诸如高级陶瓷或金属的材料制成。激光改性的功能表面主要由精细的台阶组成，具有可重复的、规则的、均匀的微润滑剂L-间隙。用户可以根据零件上的负载调整这些孔的直径、深度和分布。比如对于陶瓷滑环密封，大小和分布合适的凹凸点可以大大降低摩擦磨损。这个过程中的加工速度取决于激光的种类，一般是每秒1000个孔。一氧化碳已被工业采用。和NdzYAG高功率激光作为加工手段。然而，由于激光器和激光系统的复杂性、高成本和尺寸，小公司很难采用激光加工。也许这种情况很快就会改变。最初，二极管激光器提供不到50W的输出功率。材料加工(钎焊、雕刻、表面硬化和塑性或热传导焊接)所需的功率显然远高于这个数值。高功率二极管激光器(HPDL)结合了高性能和紧凑的结构。它们由大量单个二极管组成，堆叠在一个鞋盒大小的外壳中。累计功率值(最大值。2.5kW)和光束质量足以进行材料处理。HPDL弗劳恩霍夫研究所进行的测试表明，它可以硬化回火钢和焊接钢板和铜板。HDPL可以发射波长为0.84 m-0.94 m的光，而C04)激光器工作在10.6 m的波长，Nd: YAG激光器工作在1.064m的波长。由于其波长较短，HDPL提供的能量比其他激光器发射的光更容易被目标吸收。

亚琛弗劳恩霍夫生产技术研究所的研究人员根据工业研究合同，将三种不同的HDPL(功率范围高达2.5kW)集成到机床、制造机器和机器人中，用于工业研究。使用激光二极管进行焊接可以为用户提供更好的灵活性和成本效益。对被连接零件的几何形状和尺寸没有限制，焊接速度高达1.0m/min。激光可以焊接几乎所有种类的热塑性塑料零件。这种工艺可以避免粘附的问题，因为不与工件接触。此外，激光焊接还减少了塑料上的热负荷和可能的开裂。许多肉眼看来色彩丰富的颜料对近红外光(包括黑色)是透明的，HPDL可以用这种颜色焊接塑料。实验表明，二极管激光焊接的强度可以与传统的塑料焊接技术相媲美。受控金属堆积(CMB)技术结合了激光沉积焊接和高速铣削。通过激光沉积焊接工艺。会产生接近成品形状的金属材料堆积。由于金属粉末木材在高能激光束中保持在指定的路径上，所以系统可以一条路径接一条路径地构造零件，直到达到所需的轮廓。为了产生间隙，只需要短时间中断激光束和粉末供给。铌

    为处理这种情况，Fraunhofer研究所(与一家德国机床厂合作)制作了一台机床，它将高速铣削与沉积加工结合为一体。通过铣削加工出一个平整表面，以确保材料沉积均匀，与边缘的尖锐度以及零件的形状和尺寸精度符合要求。所有的操作全部由—台机床完成，因此操作员可以安排好工艺步骤使机床自动运行。在铣削过程中，激光沉积焊接喷嘴自动地积出加工区，以免发生碰撞危险，并保护刀具和零件不受切屑影响。

    原则上，用户可以采用任何能焊接的金属进行CMB工艺，从钢、铜到硬合金材料。铜电极可以采用CMB工艺自动制作，而以前只用耐磨保护层材料能够用来制作整个零件。

    加工的沉积层只有十分之几mm厚。由于在生成每一层之后，随之进行的是轮廓铣削，因此，铣削刀具的突出长度小于2mm，接下来、可以采用直径小于1mm的铣刀进行加工。利用这些小型切削刀具，可以形成窄而深的沟槽、其拐角半径保持在喷射注塑模具许可的范围内。

    激光辅助的热态加工(LAM)是面向材料的，在经济上也可行的。激光加工与车削、铣削以及旋压成形法相结合、能优化难切削和难成形材料的加工。

    在激光辅助的热加上和旋压成形加工中，由激光系统在切削或成形操作中对材料进行局部加热。温度的上升会软化材料、使它较易加工并成形。研究者在钛、灰铸铁以及高强度钢上进行了激光铺助的铣削操作、发现铣削力下降了30%-70%(用高速钢)、刀具磨损下降了约90%。在某此情况卜、激光辅助加工可以大大提高铣削速度。

    在需要切削加工高级陶瓷时，采用热态加工方式可以使加工过程变得比较容易。氮化硅陶瓷、以前只能用几何形状不确定的切削刀进行加工，如今却可以用LAM工艺进行车削加工。利用现有技术和机床，用户已经可以车削加工材料为氮硅陶瓷的复杂形状零件，并获得高达Ra0．3μm的表面粗糙度。这些系统是在车床上装入一台3kWNd：YAG激光器、或是—台1．2kW的高功率二极管激光器集成而成。

    通过与相关行业进行通力合作、并得到德国政府基金支持，Fraunhofer研究所已经开发和制造了—台集：成有一套HPDL(高功率二极管激光器的精密车削机床样机。第一台具备完全的工业功能的机床会在1999年上市。

    在分割和旋压车削加工中，由一台集成在旋压车床上的激光器在成形操作中可有选择地加热半成品。该加热过程提高了温度和成形速度、降低了应变硬化。激光辅助旋压成形加工降低了所需要的成形力、从而导致较低的材料硬化程度。

    激光辅助旋压成形加工法、可以在—个装夹位置上，不采用退火工序的情况下，在对称的回转体零件上生成内、外齿、成形轮廓以及复杂的几何形状。它可以避免采用成本高昂的切削过程，节省了材料，并制作出重量轻、具有优良强度性能的功能部件。

    激光弯制工件过程，是一种新的具有多们性的工艺，无须采用任何成形工具。利用有产生反弹效应的非接触式激光加工工艺，可以完成许多成形任务，在包括金属板材的弯制过程中，零件中的温度变化梯度会产生机械应力，由此产生受控的塑性变形。激光弯制工艺，适于制作样件和进行小批量生产，目前，在Fraunhofer研究所正处于实验研究阶段。

    汽车行业对定制焊接坯件的需求正呈不断上升之势。为了更好地赢得竞争，销售商们需要一种成本效益较高的系统。激光坯件焊接系统的一般废品率处于3%-4%之间。利用激光器来切割坯件，可以提高焊接速度并保证完美的间隙配合。

    将一台边缘制备单元集成装入焊接生产线中，可以将典型的车身侧面焊接循环时间降低到32s，将门内装饰件焊接循环时间降低至14s。焊接一个车身侧面的估计成本为3美元，焊接一个门内装饰件的估计成本为2美元。另外还有一个好处是，这样一个系统在对装恶化具和焊接过程进行必要的修改之后，既可焊接钢质坯件，也可以焊接铝材坯件。