航空航天特殊材料加工技术论文.doc

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航空航天特殊材料加工技术

------激光加工

摘要：

报道近年来在先进金属材料快速凝固激光表面改性、金属间化合物高温耐磨耐蚀涂层新材料快速凝固激光熔覆制备技术、钛合金及高温合金等高性能金属零件快速凝固激光成形技术等领域的研究进展，主要内容包括：

钛合金激光表面合金化及激光熔覆表面改性、激光熔覆高温耐磨耐蚀多功能金属间化合物涂层、小面相非平衡凝固液固界面结构及生长机制、钛合金及高温合金高性能零部件激光快速成形、难熔高活性金属材料及定向生长柱状晶钛合金激光约束熔铸成形技术。

关键词：

激光加工；激光打孔；飞秒激光

8

一、激光加工

激光加工是将激光束照射到加工物体的表面，用以除去或熔化材料一起改变物体表面性能。

激光对物体的加工不同于其他方法的最显著的地方，就是它可以把光的能量通过聚焦集中在很小的面积上，使被照射物体瞬间接受极高的激光功率密度辐射，从而达到加工的目的。

激光加工的应用范围很广，包括打孔、切割、焊接及表面处理等。

加工时，若激光的功率密度为103～104W/cm2只能使材料加热，而不能熔化和气化；功率密度提高到105～106W/cm2时，材料开始熔化；若提高到106～107W/cm2以上时，材料则开始蒸发。

激光辐射在被加工材料上所起的作用不仅与辐射的功率密度大小有关，还与辐射延续的时间有关，调节这两个参数，便可以得到不同的工艺规范，进行不同的加工。

二、激光打孔

激光打孔是激光加工的主要应用领域之一。

采用激光可以打小至几微米的微孔和各种异形孔。

目前激光打孔技术已广泛用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴、宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等微小孔的加工中。

激光打孔在高峰值功率的脉冲激光作用下可在极短时间内完成（如厚10mm氧化铝的打孔过程可在0．06s内完成），穿孔瞬间孔内材料迅速熔化，可认为厚度方向的温度近似均匀，因此将打孔程简化为二维平面模型。

不同的加工方式要求不同，对激光束的聚焦采取的方式也不一样。

为了改善现有激光加工设备单一的加工功能，有效利用激光器，提高生产效率，对激光光束变换技术的研究尤其重要。

目前对光束变换已有多种实现方法，旋转棱镜由于其结构简单，并可在一定范围内产生近似的无衍射光束而备受关注。

利用旋转棱镜光学系统可以实现多种形式的光束传输变换，例如，将实心横截面光束变换为环状光束、平面或径向细环聚焦光束，或者作相反的变换，或者将高斯光束变换成无衍射光束等。

其优越的光束和能量变换特性使它在激光打孔、圆柱形工件热处理、焊接、切片、高精度准直技术等激光加工应用领域都具有非常诱人的价值。

下面以对陶瓷材料的打孔加工为例。

陶瓷材料的低导热性以及激光打孔时间的短暂性，打孑L完成后在孔径周围一个有限区域内材料温度升高，而这个区域以外仍为室温。

该假设对长波长高峰值脉冲输出激光快速打孔各种材料均适用。

对于不同的材料和不同的工艺参数，由于材料的导热性以及激光输入能量的不同，会在热影响区域大小以及热影响区内温度上存在一些差异，但总体趋势一致。

考虑TEM光斑的轴对称性，对于导热性各向同性的陶瓷来说，其热影响区也应该是轴对称的，孔径和热影响区的示意图如图l所示。

由上述分析确定边界条件

T（b）=Tmc

T（d）=0

式中6为打孔半径，由于孔径边缘材料虽有熔化但由于喷嘴气流等关系不能完全吹除（将形成重凝层），因此孔径边缘的温度应略高于材料熔点T。

，设为T。

。

；d为描述热影响区的半径热影响区边缘为室温（即背景温度设为0）；最后一个条件表示在热影响区边缘的温度变化趋势不应该足突变的，即它的一阶偏导数应该存在并且连续，由于热影响区以外的温度为一定值，其偏导数为0，所以在热影响区边缘的偏导数也为0。

图1激光打孔二维模型示意网

轴对称温度场的温度分布只和半径r有关，采用多项式拟合不稳定温度场

将

（1）式代入

（2）式中，解出

（2）式中的三个常数，得到温度分布由于材料的温度分布具有轴对称性且沿z轴方向无变化，采用柱坐标系r，θ，z描述时，所有物理量仅足坐标r的函数，因此热应力问题可以简化为平面轴对称热弹性问题，其应力场满足式中分别为径向和切向的正应力，a为线膨胀系数，E为拉压弹性模量，肛为泊松比，T（r）为热影响区内的温度分布，D。

和D。

为两个由边界条件确定的常数。

由于孔边缘处是径向自由的，径向的应力为0；热影响区边缘处温度为0，认为此处材料为刚性，因此相应的切向应力亦为0，故设边界条件为将边界条件（5）和温度函数（3）代入到应力场分布（4），解得径向应力和切向应力的解析解

对应的应力趋势图如图2所示（为了简化计算，设来观察应力趋势）。

分别讨论式（6）中与激光加工参数有关的三个

系数，即孔径边缘温度Tmc，孔半径b热影响区半径d。

Tmc对热应力的影响，如图3所示（为了简化计算，设来观察应力趋势。

）

随着孔径边缘温度的提高，切向和径向的拉应力都有显著提高，将增加裂纹产生的可能。

因此要尽量降低孔径边缘温度接近熔化温度以减少材料中的拉应力，抑制裂纹的产生。

孔径大小b和热影响区大小d对应力分布的影

响如图4所示。

当热影响区的大小减少时，两个方向的应力都有变小的趋势（如图4（a），（b），（c）所示）；从图4（d）和（e）中可以看到，增大孔径也可以降低两个方向的拉应力；特别地，当热影响区的大小（d一6）不变，仅是增大孔径时也可以有效地降低打孔的拉应力（如图4（f）和（g）所示）。

由（3）式可知在这种情况下温度场分布只是存在平移并不发生变化，即只要将温度场分布向外平移就可以降低热应力。

因此减少热影响区大小、增大打孔孔径或向外平移温度分布都可以抑制裂纹的产生。

切割的热应力分析由于切缝的存在而变得复杂，对于这种非轴对称的温度应力场的计算一般很难得到解析解，因此需要将切割过程的温度场以及应力分布在近似范围内进行合理简化。

切割过程图3温度对径向应力（a）和切向应力（b）的影响中，冷却气体对切缝的强冷却效果会导致切缝边缘具有温度较低的重凝层，因此可以将不在光斑覆盖范围内的切缝边缘看成是刚性的且一般切缝宽度很窄（o．1mm左右），又因为激光切割陶瓷一般采用脉冲方式，因此可以将脉冲激光切割近似为一系列打孔过程。

上述打孔热应力分析即可适用于脉冲激光切割，不同之处在于脉冲激光切割过程中脉冲间隔很近，会有热积累效应，即前一个脉冲作用的温度场会与后一个脉冲作用的温度场相叠加，导致加工处温度不断升高。

从图3中可知温度的升高会导致两个方向拉应力的显著提高，而增加裂纹的产生。

因此对脉冲切割的参数优化强度要高于打孔的参数优化，但基本思想还是：

降低切缝边缘温度、减少热影响区以及增大切缝宽度。

激光打孔应采用发散角小的激光束，经短焦聚焦后，在焦面上获得很小的光斑及很高的功率密度，可提高对工件的穿透力，打出的孔不仅深，而且锥度小。

激光焦点的位置应在工件的表面上或稍低于工件表面。

焦点位置过低，则工件表面光斑面积增大，使孔呈锥形；位置过高，则激光经过焦点后的散射增大，反而不利于孔的加工。

激光束的光强若以焦点为中心对称分布，则打出的孔呈圆形；若激光工作物质的质量和光泵照射不均匀，则激光聚焦后光斑内光强分布不对称，加工出的孔就不圆；如果在焦点附近有两个光斑，则打出的孔将发生畸变。

激光打孔的优点很多，不仅效率很高，几乎适用于所有的材料，而且不存在工具磨损及及更换等问题，还可以打斜孔等。

激光打孔的范围可从10-2mm量级到任意大孔。

激光打孔可以在大气或特殊成分气体中进行，利用这一特点可向被加工表面渗入某种强化元素，在打孔的同时实现对成孔表面的激光强化。

三、激光技术的发展

近年来激光技术飞速发展，涌现出可与机器入柔性耦合的光纤传输的高功率工业型激光器。

先进制造领域在智能化、自动化和信息化技术方面的不断进步促进了机器人技术与激光技术的结合，特别是汽车产业的发展需求，带动了激光加工机器人产业的形成与发展。

从20世纪90年代开始，德国、美国、日本等发达国家投入大量人力物力进行研发激光加工机器人。

进入2000年，德国KUKA，瑞士的ABB，日本FANUC等机器人公司均研制激光焊接机器人和激光切割机器人的系列产品。

目前在国内外汽车产业中，激光焊接机器人和激光切割机器入已成为最先进的制造技术，获得了广泛应用。

德国大众汽车、美国通用汽车、日本丰田汽车等汽车装配生产线上，已大量采用激光焊接机器人代替传统的电阻点焊设备，不仅提高了产品质量和档次，而且减轻了汽车车身重量，节约了大量材料，使企业获得很高的经济效益，提高了企业市场竞争能力。

在中国，一汽大众、上海大众汽车公司也引进了激光机器人焊接生产线。

目前有沈阳新松机器人公司涉足激光切割和焊接机器人制造领域。

随着激光直接制造和再制造技术的发展，面对航空航天、冶金、汽车等行业快速原形和快速制造的需求，从2002年起，国际上开始研发激光熔覆机器人。

激光熔敷技术诞生以来，作为一种修复技术已得到许多重要应用。

如英国P.R航空发动机公司将它用于涡轮发动机叶片的修复，美国海军试验室用于修复舰船螺旋桨叶。

国内对此项技术应用也在近年来取得很大进展。

天津工业大学已将此技术用于冶金轧辊，拉丝辊的修复，石油行业的采油泵体、主轴的修复，铁路、石化行业大型柴油机曲轴的修复，均收到良好的效果。

我国是世界上最大的发展中国家，拥有千万套国产大型贵重装备和进口高精尖的昂贵设备，现场快速修复有广阔的市场需求。

天津工业大学在天津市科技支撑计划和国家自然科学基金资助下，开展了激光再制造机器人的研究。

虽然激光加工机器人取得了广泛的工业应用，但由于它是基于激光技术和机器人技术的高度集成系统，激光加工又是复杂的智能工程，激光加工机器人仍处于初期发展阶段，许多技术尚待开发研究解决。

激光加工机器人在国内刚刚开始应用，无论激光领域还是工业应用领域对它还处于不熟悉状态。

为此，本文结合我们的工作，对激光加工机器人一些关键技术进展——光纤传输的高功率激光技术、机器人本体技术、机器人编程技术、机器人智能化、网络化技术和反求工程重建三维（3D）形貌技术等作综合报道，期望得到国内业界关注，促进该类技术的发展应用。

四、飞秒激光技术

飞秒激光的另一个重要的应用就是微精细加工。

通常，按激光脉冲标准来说，持续时间大于10皮秒（相当于热传导时间）的激光脉冲属于长脉冲，用它来加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。

而脉冲宽度只有几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等等。

一些汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。

使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。

在最近于奥兰多举行的美国光学学会会议上，IBM公司的海特说，IBM已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。

用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。

美国劳伦斯?

利弗莫尔国家实验室的研究人员发现，这种激光束能安全地切割高爆炸药。

该实验室的洛斯克说：

“飞秒激光有希望作为一种冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其他武器。

”飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。

生物医学专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。

目前人们还在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。

有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。

五、我国激光加工技术发展现状

与国际上激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的2%左右。

主要表现为:

高档激光加工系统很少，甚至没有;主力激光器不过关;微细激光加工装备缺口较大;而这些领域我国的生产企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。

　　预测今后2-3年内，我国销售额将会由2004年的15亿人民币上升翻一倍，也就是说会达到30亿元产值。

其原因:

　　一、国家重视，各级政府部门都在积极关注、规划、立项，多方面资金正在注入。

特别是国家强调立项主体由大专院校，科研部门料转到以企业为主，这就促进了企业产品的自主创新，技术升级。

　　二、国内各类制造业接受了激光加工技术，它可使他们的产品增加技术含量，加快产品更新换代，采用它可达到“敏捷制造”的水平，满足市场对“个性化”产品的要求。

　　三、国内已逐步形成了产业群体激光零部件配套企业慢慢补齐，各类具有特色的激光加工系统制造商纷纷建立，国内已形成四个激光加工装备制造的产业带，它们主要分布在华中;珠江三角洲;长江三角洲和京津环渤海经济发达地区。

　　四、国际上知名的激光加工制造商有的在华投资建厂;有的以国内合资生产，总趋势是纷纷进入，形成国际竞争国内化。

　　五、国内在主力激光器方面逐步过关，进入市场应用。

如大功率轴流CO2激光器，中小功率金属腔射频CO2激光器，半导体泵浦全固态激光器、光纤激光器、及倍频DPL、大功率二极管模块等，正蓄势待发，进入产品化初期，进入市场。

为国产激光加工的升值开拓新应用创造条件。

　　在国内已创立的一片大好形势下，我们殷切期望业内各企业努力创造具有自主创新的产品，尽力避免低价位、低利润率的竞争，使国产设备走上越来越健康发展局势。

参考文献

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激光，1994，21

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【4】顾震宇全球工业机器人产业现状与趋势2006

【5】陈苗海中国激光加工产业现状和发展前景[期刊论文]-激光与红外2004

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【6】冯国英.吕百达.蔡邦维轴棱镜光学系统对激光束的变换及应用1996（03）