20081182098-激光熔覆技术的应用

第一篇：20081182098-激光熔覆技术的应用

激光熔覆技术在航空领域中的应用

激光熔覆技术可显著改善金属表面的耐磨、耐腐、耐热水平及抗氧化性等。目前有关激光熔覆的研究主要集中在工艺开发、熔覆层材料体系、激光熔覆的快速凝固组织及与基体的界面结合和性能测试等方面。

航空领域是关系到国家安全的重要领域，也是国家重点支持的战略行业。如何将激光熔覆技术更好的运用于我国的航空制造具有极为重要的战略意义。航空材料是武器装备研发与生产的重要物质基础和科技先导，强化航空材料基体硬度和耐磨性能对于航空材料的改进具有极为重要的意义。如大功率激光器的开发和应用，为航空材料表面改性提供了新的手段，也为材料表面强化技术的发展开辟了一条新的途径。陶瓷材料具有金属材料不可比拟的高硬度和高化学稳定性，因此可以针对零件的不同服役条件，选择合适的陶瓷材料，利用高能密度激光束加热温度高和加热速度快的特点，在金属材料（如钛合金）表面熔覆一层陶瓷涂层，从而将陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀性能与金属材料的高塑性、高韧性有机地结合起来，可大幅度提高航空零件的使用寿命。

激光熔覆技术在飞机零件制造中的应用

飞机机体和发动机钛合金构件除了在工作状态下承受载荷外，还会因发动机的启动/停车循环形成热疲劳载荷，在交变应力和热疲劳双重作用下，产生不同程度的裂纹，严重影响机体或发动机的使用寿命，甚至危及飞行安全。因此，需要研究航空钛合金结构的表面强化方式，发挥其性能优势，使之得以更广泛的应用。

陶瓷分为氧化物陶瓷和碳化物陶瓷，氧化铝、氧化钛、氧化钴、氧化铬及其复合化合物是应用广泛的氧化物陶瓷，也是制备陶瓷涂层的主要材料。碳化物陶瓷难以单独制备涂层，一般与具有钴、镍基的自熔合金制备成金属陶瓷，该金属陶瓷具有很高的硬度和优异的高温性能，可用作耐磨、耐擦伤、耐腐蚀涂层，常用的有碳化钨、碳化钛和碳化铬等[7]。采用激光熔覆制备陶瓷涂层可先在材料表面添加过渡层材料（如NiCr、NiAl、NiCrAl、Mb等），然后用脉冲激光熔覆，使过渡层中的Ni、Cr合金与陶瓷中Al2O3、ZrO2等材料熔覆在基体的表面，形成多孔性，基体中的金属分子也能扩散到陶瓷层中，进而改善涂层的结构和性能。将陶瓷涂层激光熔覆用于航空发动机涡轮叶片是一项很有应用价值的高新技术，常用的激光熔覆材料见表1。

飞机制造中较多采用钛合金，如Ti-6Al-4V钛合金用于制造高强度/重量比率、耐热、耐疲劳和耐腐蚀的零部件。但在这些钛合金的加工制造中，传统工艺方法有许多难以克服的弱点，如生产隔板是由数英寸厚和数十千克重的齿形合金板加工而成的，而获得这些合金板成品需要一年以上。因为难以加工，加工这种零件需要花费加工中心数百小时的工作量，磨损大量的刀具。而激光熔覆技术在这方面具有较大优势，可以强化钛合金表面、减少制造时间。

激光熔覆是现代工业应用潜力最大的表面改性技术之一，具有显著的经济价值。20世纪80年代初，英国Rolls·Royce公司采用激光熔覆技术对RB211涡轮发动机壳体结合部位进行硬面熔覆，取得了良好效果。表2所示是激光熔覆在航空制造中应用的几个实例。

近年来，美国AeroMet公司的研发有了实质性的进展，他们生产的多个系列Ti-6Al-4V钛合金激光熔覆成形零件已获准在实际飞行中使用。其中F-22战机上的2个全尺寸接头满足疲劳寿命2倍的要求，F/A-18E/F的翼根吊环满足疲劳寿命4倍的要求，而升降用的连接杆满足飞行要求、寿命超出原技术要求30%[9]。采用激光熔覆技术表面强化制造的钛合金零部件不仅性能上超出传统工艺制造的零件，同时由于材料及加工的优势，生产成本降低20%～40%，生产周期也缩短了约80%。激光熔覆在航空零部件修复中的应用

激光熔覆技术对飞机的修复产生了直接的影响，优点包括修复工艺自动化、低的热应力和热变形等。由于人们期待飞机寿命不断延长，需要更加复杂的修复和检修工艺。涡轮发动机叶片、叶轮和转动空气密封垫等零部件，可以通过表面激光熔覆强化得到修复。例如，用激光熔覆技术修复飞机零部件中裂纹，一些非穿透性裂纹通常发生在厚壁零部件中，裂纹深度无法直接测量，其他修复技术无法发挥作用。可采用激光熔覆技术，根据裂纹情况多次打磨、探伤，将裂纹逐步清除，打磨后的沟槽用激光熔覆添加粉末的多层熔覆工艺填平，即可重建损伤结构，恢复其使用性能[10]。

激光熔覆发动机涡轮叶片用到的基体材料和合金粉末见表3。用于熔覆的粉末粒子成球状，尺寸小于150μm。不同合金粉末的熔覆层要选用不同的工艺参数，以获得最佳的熔覆效果。

把受损涡轮叶片顶端修覆到原先的高度。激光熔覆过程中，激光束在叶片顶端形成很浅的熔深，同时金属粉末沉积到叶片顶端形成焊道。在计算机数值控制下，焊道层叠使熔覆层增长。与激光熔覆受损叶片不同的是，手工钨极氩弧堆焊的叶片堆焊后的叶片必须进行额外的后处理。叶片顶端要进行精密加工以露出冷却过程中形成的空隙，而激光熔覆省去了这些加工过程，大大缩减了时间和成本。

在航空领域，航空发动机的备件价格很高，因此在很多情况下备件维修是比较合算的。但是修复后零部件的质量必须满足飞行安全要求。例如，航空发动机螺旋桨叶片表面出现损伤时，必须通过一些表面处理技术进行修复。激光熔覆技术可以很好的用于飞机螺旋桨叶片激光三维表面熔覆修复。

图1所示的航空发动机叶片是经过激光修复的。熔覆材料（合金粉末）为Inconel 625（Cr-Ni-Fe 625合金粉末），叶片材料为Inconel 713。通过金相方法检测熔覆层的截面可以发现，激光熔覆后在叶片基体材料和熔覆层之间形成了一个冶金结合的熔覆过渡区[11]。

激光熔覆可以强化材料表面的合金熔覆层、提升合金表面的力学和化学性能。堆焊合金粉末是较理想的激光熔覆材料，具有很高的应用价值。堆焊合金粉末可以在激光束照射下快速地熔化，而后熔覆在航空零部件的表面。这个过程可以采用预置涂层法，预置材料可以是丝材、板材、粉末等，最常用的材料为合金粉末。激光熔覆先将熔覆材料预置于基体表面的待熔覆部分，然后用激光束扫描熔化熔覆材料和基体表面来实现表面强化。

熔覆区在激光束和送粉系统的作用下形成，基体材料和合金粉末决定了表面熔覆层的性质。激光直接照射在基体表面形成了一个熔池，同时合金粉末被送到熔池表面。氩气在激光熔覆的过程中也被送入熔池处以防止基体表面发生氧化。形成的熔池在基体表面，如果合金粉末和基体表面都是固态，合金粉末粒子接触到基体表面时会被弹出，不会黏着在基体表面发生熔覆；如果基体表面是熔池状态，合金粉末粒子在接触到基体表面时就会被黏着，同时在激光束作用下发生激光熔覆现象，形成熔覆带。图2所示是用激光熔覆技术修复的涡轮叶片。

激光熔覆层的耐磨性与硬度成正比。熔覆层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性能一般难以兼顾。通过激光熔覆工艺可以改善基体表层的显微组织和化学成分。

激光熔覆工艺与钨极氩弧焊（TIG）熔覆工艺相比有很大的优势。激光熔覆层的性质取决于熔覆合金元素的比例。为了达到最好的预期效果，须尽可能地避免基体材料的稀释作用，因为熔覆层的硬度和基体材料的稀释成反比。在Inconel 792合金表面，分别采用激光熔覆和钨极氩弧焊熔覆Rene142合金粉末，显微硬度的比较如图3所示。

从图3中可见，激光熔覆产生的强化表层硬度比钨极氩弧焊熔覆的表面硬度要高，其原因在于激光熔覆层的高凝固速度以及在溶池中产生的强对流效应。因此，激光熔覆技术相对钨极氩弧焊熔覆在航空领域更具有应用价值。

相关资料表明，采用激光熔覆技术修复后的航空部件强度可达到原强度的90％以上，更重要的是缩短了修复时间，解决了重要装备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。

激光熔覆在航空材料表面改性中的应用

激光熔覆高硬度、耐磨和耐高温涂层

为了防止在高速、高温、高压和腐蚀环境下工作的零部件因表面局部损坏而报废，提高零部件的使用寿命，世界各国都在致力于研发各种提高零件表面性能的技术[12]。传统的表面改性技术（如喷涂、喷镀、堆焊等）由于层间结合力差和受固态扩散差的限制，应用效果并不理想。大功率激光器和宽带扫描装置的出现，为材料表面改性提供了一种新的有效手段。激光熔覆是经济效益高的新型表面改性技术，它可以在廉价、低性能基材上制备出高性能的熔覆层，从而降低材料成本，节约贵重的稀有金属，提高金属零件的使用寿命[13]。

现代飞机制造中大量使用钛合金和铝合金，例如美国的第四代战机F-22机体钛合金的使用量已达到41%，而美国先进的V2500发动机钛合金的用量也达到了30%左右。钛及钛合金具有高比强度、优良的耐腐蚀、良好的耐高温性能，可以减轻机体重量、提高推重比。钛合金的缺点是硬度低、耐磨性差。纯钛的硬度为150～200HV，钛合金通常不超过350HV。在很多情况下，由于钛及钛合金表面会生成一层致密的氧化膜从而起到防腐蚀的作用，但是在氧化膜破裂、环境恶劣或发生缝隙腐蚀时，钛合金的耐腐蚀性能将大大降低。

2000年首飞的美国F-35战机上铝合金总用量在30%以上[14]。但是铝合金的强度不够高，使用时易生产塑性变形，特别是铝合金表面硬度低、耐磨性很差，在某种程度上制约了它的应用。

经过激光熔覆的钛合金表面显微硬度为800-3000HV。用激光熔覆技术对铝合金表面进行表面强化是解决铝合金表面耐磨性差、易塑性变形等问题的有效方法。与其他表面强化方法相比，该方法强化层与铝基体之间具有冶金结合特点，结合强度高。熔覆层的厚度达到1～3mm，组织非常细小，熔覆层的硬度高、耐磨性好，并具有较强的承载能力，从而避免了软基体与强化层之间应变不协调而产生裂纹。另外，在钛合金、铝合金表面熔覆高性能的陶瓷涂层，材料的耐磨性、耐高温性能等可以得到大幅度提高。

激光熔覆获得热障涂层

近年来，航空发动机燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高进口温度的方向发展，燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高，例如军用飞机发动机涡轮前温度已达1800℃，燃烧室温度达到2000℃～2200℃，这样高的温度已超过现有高温合金的熔点。除了改进冷却技术外，在高温合金热端部件表面制备热障涂层（Thermal Bamer Coating，TBCs）也是很有效的手段，它可达到1700℃或更高的隔热效果，以满足高性能航空发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定性的要求[15-16]。20世纪70年代陶瓷热障涂层（TBCs）被成功用于J-75型燃气轮机叶片，世界各国投入巨资对其从材料到制备工艺展开了深入的研究。

20世纪80年代以来，在材料表面激光熔覆陶瓷层获得了致密的柱体晶组织，提高了应变容限；致密、均匀的激光重熔组织以及较低的气孔率可降低粘结层的氧化率，阻止腐蚀介质的渗透。可利用大功率激光器直接辐射陶瓷或金属粉末，将其熔化后在金属表面形成冶金结合，得到垂直于表面的柱状晶组织。由于熔覆层凝固的次序由表到里，表层组织相对细小，这样的结构有利于缓和热应力，例如用激光熔敷方法得到了8%（质量分数）氧化钇部分稳定氧化锆（YPSZ）热障涂层。也可将混合均匀的粉末置于基体上，利用大功率激光器辐射混合粉末，通过调节激光功率、光斑尺寸和扫描速度使粉末熔化良好、形成熔池，在此基础上进一步通过改变成分向熔池中不断加入合金粉末，重复上述过程，即可获得梯度涂层。

关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下提高零部件的使用寿命、缩短制造周期。激光熔覆生产的热障涂层有良好的隔热效果，可以满足高性能航空发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定的要求。

结束语

激光熔覆技术对航空工业的发展有着举足轻重的作用。激光熔覆技术可以提高飞机零部件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀和抗疲劳等性能,提高材料的使用寿命，还可以用于磨损零部件的修复处理,节约加工成本。激光溶覆技术应用于飞机零部件的制造,可以减少工件制造工序、提高零部件质量。随着当今科技的进步，飞机整体性能将进一步提高，对材料的要求也越来越高。激光熔覆技术的进一步完善和发展对航空业的技术进步具有重要的作用，航空材料将随着激光熔覆技术的发展呈现崭新的面貌。

第二篇：激光熔覆技术分析与展望讲解

激光熔覆技术分析与展望

作者：张庆茂激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。为推动激光熔覆技术的产业化，作者：张庆茂

激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。

为推动激光熔覆技术的产业化，世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，已取得了重大的进展。国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其最新的应用：包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。但到目前为止，激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。分析其原因，这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。因此，激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用，必须加大宣传力度，以市场需求为导向，重点突破制约发展的关键因素，解决工程应用中涉及到的关键技术，相信在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。下面介绍激光熔覆技术几个发展的动态，以飨读者。

激光熔覆的优势

激光束的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础，受到世界各国科学界和企业的高度重视和多方面的研究。

目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、钛基、镁基等金属基复合材料。从功能上分类：可以制备单一或同时兼备多种功能的涂层如：耐磨损、耐腐蚀、耐高温等以及特殊的功能性涂层。从构成涂层的材料体系看，从二元合金体系发展到多元体系。多元体系的合金成分设计以及多功能性是今后激光熔覆制备新材料的重要发展方向。

最新的研究表明，在我国工程应用中钢铁基的金属材料占主导地位。同时，金属材料的失效（诸如腐蚀、磨损、疲劳等）大多发生零部件的工作表面，需要对表面进行强化。为满足工件的服役条件而采用大块的原位自生颗粒增强钢铁基复合材料制造，不仅浪费材料，而且成本极高。另一方面，从仿生学的角度考察天然生物材料，其组成为外密内疏，性能为外硬内韧，且密—疏、硬—韧从外到内是梯度变化的，天然生物材料的特殊结构使其具有优良的使用性能。根据工程上材料特殊的服役条件和性能的要求，迫切需要开发强韧结合、性能梯度变化的新型表层金属基复合材料。因此，利用激光熔覆的方法制备与基材呈冶金结合的梯度功能原位自生颗粒增强金属基复合材料不仅是工程实践的迫切需要，也是激光表面改性技术发展的必然趋势。激光熔覆技术制备原位自生颗粒增强金属基复合材料、功能梯度材料已有报道，但大部分停留在组织、性能分析，工艺参数的控制阶段，增强相的尺寸、间距和所占的体积比还不能达到可控制的水平，梯度功能是通过多层涂覆形成的，不可避免地在层与层之间存在界面弱结合的问题，距离实用还有相当长的路。利用激光熔覆技术制备颗粒大小、数量、分布可控，强韧性适当匹配，集梯度功能和原位自生颗粒增强为一体的金属基表层复合材料是今后重要的发展方向。研究内容涉及到：

● 熔覆材料成分、组织、性能设计的技术、手段和原理及其工艺实现的控制技术。

● 激光熔覆制备功能梯度原位自生颗粒增强金属基复合材料颗粒增强相析出、长大和强化的热力学和动力学模型的建立。

● 颗粒增强相形态、结构、功能和复合的仿生设计和尺寸、数量、分布的控制技术。

● 涂层成分、组织和性能梯度控制的原理、关键因素和工艺方法的研究。

● 宏观、微观界面的观察、分析控制和表征；功能梯度原位自生颗粒增强金属基复合材料常规性能的分析和检测以及不同工况下的磨损行为及失效机制。

这些研究内容的突破，有可能解决涂层与基体相容性不匹配，易于产生裂纹的问题，促进激光熔覆技术应用领域的拓宽。

激光复合熔覆技术

激光熔覆是由激光作为热源，在基底上包覆一层性能极为优良的合金层，其性能将依照所处理零件的具体要求而定。激光熔覆方法的优点是覆层组织细密、性能优异、热应力小、变形小以及无污染等。其缺点也是很明显的：需要很高功率的激光器、单道搭接扫描不适宜大面积处理，难于实现产业化等。为解决这些难题，采用激光复合熔覆技术是有效的途径之一，也是今后发展的重要方向。激光复合熔覆就是采用普通加热方法，再加上激光复合加热来完成熔覆处理工作。普通加热方法根据需要可以是电加热、各类感应加热等。归纳起来，激光复合熔覆技术具有如下的特点：

●“常规（如感应）＋激光”二者复合加热熔覆是集两种加热工艺的优点，同时克服了各自单一方法的不足，充分体现了优势互补的特点。

● 用常规方法辅佐了激光加热，从而可以实现用较小功率的激光器完成由原来必需很高功率也不易完成的大面积熔覆，是单一方法无论如何也不易做到的。

● 激光复合熔覆技术扩大了常规技术的新的更广应用，而对常规技术的采纳又进一步促进了激光熔覆技术的应用和产业化的进程。

● 激光复合熔覆技术特别适用于细长杆类，尺寸在一定范围内的轴类等零件，如抽油泵柱塞、某些类型的轧辊及特殊用途的轴等。

新型激光源的熔覆技术

目前，激光熔覆主要采用的是CO2气体激光器，用于大型零件的激光熔覆，见图2和图3，少部分采用YAG激光器。YAG激光熔覆常采用脉冲激光熔覆。最近的工程应用表明，采用YAG激光熔覆在小型零部件方面更有优势。

发展的另一个重要的趋势是采用高功率半导体激光器，利用波长范围808-965μm的红光或近红外激光，较CO2 激光器来看金属易吸收，可省去前期预处理，方便易操作。大功率半导体激光熔覆技术较其他熔覆方法具有显著的优势，见表1。同时，半导体激光可以实现与同轴送粉一体化控制及应用光纤传输与扩束技术进行导光聚焦，实现全封闭传输或光纤传输，实现光、机、电、粉、控一体化高度集成控制；与机器手（人）结合，小型化，可实现移动在线服务，满足不同层次的需求。可以预见，在传统CO2、YAG激光熔覆技术之外，新型的大功率半导体激光熔覆设备与工艺，必将逐步发展起来并满足高质量表面工程的需要，成为激光表面处理的重要组成部分。

极端条件下的激光熔覆技术

随着激光熔覆技术的成熟与发展，陆续成功的应用于瓦楞辊的激光熔覆见图4，缸套火焰环的激光熔覆直接制造见图5，发动机部件修复见图6等。实现了以激光为主要加工手段对各种金属部件的几何缺失，按照原制造标准进行几何尺寸的回复、性能的提升。随着科学技术和工程技术的发展与需要，金属部件工作的条件愈来愈苛刻，经常工作在高交变应力、高温、高速、高腐蚀等极端条件下。因此，制造金属部件的材料需要同时具有多种性能才能满足零件特殊的服役条件。而且这些部件的制造成本、制造周期长，一旦失效产生巨大的经济损失和安全事故。如轮机装备中，各类重要的部件如：叶片、转子轴颈、阀杆、叶轮、阀门等；飞机发动机、内燃机部件等。这些工程上的技术难题，为激光熔覆技术提出了新的挑战。因此，如何解决极端条件下失效零部件的修复问题是十分迫切和复杂的，需要对极端条件下，零部件的失效形式分析，剩余寿命进行评估，选择合适的材料、工艺方法。因此，以极端条件下关键零部件的强化与修复为切入点，系统研究激光熔覆强化与再制造技术，通过若干关键技术的联合攻关，获得适合于极端条件下，各种零部件强化与修复的总体技术。重点需要攻关的方向：

● 极端条件下，失效零部件修复（强化）前后，寿命评估技术；

● 极端条件下，失效零部件无损伤修复技术的研究；

● 极端条件下，失效零部件激光修复专用合金材料的研究；

● 实体测量、三维实体堆积造型修复控制系统、修复过程温度、几何尺寸和质量智能监控系统的研究；

● 专用的修复附属装备的研究；

● 修复层性能测试技术及其加工技术的研究。

激光熔覆技术的展望

激光熔覆技术是集材料制备和表面构型为一体，是绿色再制造技术的重要支撑技术之一，符合国家可持续发展战略的高新技术。我国科学工作者在基础理论研究方面处在国际先进水平，为激光熔覆技术的发展做出了巨大的贡献。但另一方面，激光熔覆技术的应用水平和规模还不能适应市场的需求。需要解决工程应用中的关键技术，研究开发专用的合金粉末体系，开发专用的粉末输送装置与技术，系统研究无损伤修复的工艺方法，建立质量保证和评价体系，加大力度，培养工程应用方面的人才，相信在制造业市场竞争日趋激烈的今天，激光熔覆技术大有可为。

作者简介

张庆茂，男，工学博士，教授，广东激光加工技术产学研结合示范基地主任，广东省光学学会激光加工专业委员会秘书长。

近年来，主持或参与了国家“九五”、广东、广州、吉林等省市、企业多项课题。主要的研究方向：激光加工过程的数值模拟；激光制备原位析出颗粒增强梯度功能金属基复合材料强化、韧化机理的研究；基于高能激光束的关键金属零件表面强化、修复技术；激光微加工系统集成与工艺技术的研究；非金属材料的光束处理技术。先后在国内外期刊和重要的学术会议发表研究论文近六十余篇。

第三篇：激光熔覆技术研究的论文

介绍了激光熔覆技术的发展、应用、设备及工艺特点，简述了激光熔覆技术的国内外研究现状，指出了激光表面改性技术存在的问题，展望了激光熔覆技术的发展前景。

0引言

激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化,光束移开后自激冷却形成稀释率极低,与基体材料呈冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法[1~3]。如对60#钢进行碳钨激光熔覆后，硬度最高达2200HV以上，耐磨损性能为基体60#钢的20倍左右。在Q235钢表面激光熔覆CoCrSiB合金后，将其耐磨性与火焰喷涂的耐蚀性进行了对比，发现前者的耐蚀性明显高于后者[4]。

激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术,它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本,节约贵重稀有金属材料，因此,世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视[1-2、5-7]。

1激光熔覆技术的设备及工艺特点

目前应用于激光熔覆的激光器主要有输出功率为1~10kW的CO2激光器和500W左右的YAG激光器。对于连续CO2激光熔覆,国内外学者已做了大量研究[1]。近年来高功率YAG激光器的研制发展迅速,主要用于有色合金表面改性。据文献报道,采用CO2激光进行铝合金激光熔覆,铝合金基体在CO2激光辐照条件下容易变形,甚至塌陷[1]。YAG激光器输出波长为1.06μm,较CO2激光波长小1个数量级,因而更适合此类金属的激光熔覆。

同步注粉式激光表面熔覆处理示意图[8]

激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类:粉末预置法和同步送粉法。两种方法效果相似,同步送粉法具有易实现自动化控制,激光能量吸收率高,无内部气孔,尤其熔覆金属陶瓷,可以显著提高熔覆层的抗开裂性能,使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点。

激光熔覆具有以下特点[2、9]：

(1)冷却速度快(高达106K/s),属于快速凝固过程,容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相,如非稳相、非晶态等。

(2)涂层稀释率低(一般小于5%),与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整,可以获得低稀释率的良好涂层,并且涂层成分和稀释度可控;

(3)热输入和畸变较小,尤其是采用高功率密度快速熔覆时,变形可降低到零件的装配公差内。

(4)粉末选择几乎没有任何限制,特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金;

(5)熔覆层的厚度范围大,单道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm,(6)能进行选区熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能价格比;

(7)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷;

(8)工艺过程易于实现自动化。

很适合油田常见易损件的磨损修复。

2激光熔覆技术的发展现状

激光熔覆技术是—种涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。它由上个世纪60年代提出,并于1976年诞生了第一项论述高能激光熔覆的专利。进入80年代,激光熔覆技术得到了迅速的发展,近年来结合CAD技术兴起的快速原型加工技术,为激光熔覆技术又添了新的活力。

目前已成功开展了在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰口铸铁、铜合金、钛合金、铝合金及特殊合金表面钴基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。镍基合金粉末适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。钴基合金粉末适用于要求耐磨、耐蚀及抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度,热稳定性好,化学稳定性高,适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下,纯的镍基、钴基和铁基合金粉末已经满足不了使用工况的要求,因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点,目前已经进行了钢、钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究[1、10]。

3激光熔覆存在的问题

评价激光熔覆层质量的优劣,主要从两个方面来考虑。一是宏观上,考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等;二是微观上,考察是否形成良好的组织,能否提供所要求的性能。此外,还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布,注意分析过渡层的情况是否为冶金结合,必要时要进行质量寿命检测。

目前研究工作的重点是熔覆设备的研制与开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成、扩展和控制方法、以及熔覆层与基体之间的结合力等。

目前激光熔敷技术进一步应用面临的主要问题是:

①激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。激光熔覆过程中,加热和冷却的速度极快,最高速度可达1012℃/s。由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异,可能在熔覆层中产生多种缺陷,主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度[1]。

②光熔敷过程的检测和实施自动化控制。

③激光熔覆层的开裂敏感性，仍然是困扰国内外研究者的一个难题，也是工程应用及产业化的障碍[1、11]。目前，虽然已经对裂纹的形成扩进行了研究[1]，但控制方法方面还不成熟。

4激光熔覆技术的应用和发展前景展望

进入20世纪80年代以来,激光熔敷技术得到了迅速的发展,目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。激光熔敷技术具有很大的技术经济效益,广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海[12]与航天和石油化工等领域。

目前激光熔覆技术已经取得一定的成果,正处于逐步走向工业化应用的起步阶段。今后的发展前景主要有以下几个方面:

(1)激光熔覆的基础理论研究。

(2)熔覆材料的设计与开发。

(3)激光熔覆设备的改进与研制。

(4)理论模型的建立。

(5)激光熔覆的快速成型技术。

(6)熔覆过程控制的自动化。

第四篇：激光切割技术的原理及应用

辽宁科技大学学生论文

激光切割技术的原理及应用

1.激光切割技术简介.......................................................................2 1.1激光切割技术概述................................................................2 1.2激光切割技术的原理............................................................4 1.3激光切割技术的发展历史....................................................5 2.激光切割的特点.............................................................................6 2.1激光切割的总体特点............................................................6 2.2 CO2激光切割技术的特点.....................................................7 2.3半导体激光切割机................................................................8 2.4光纤激光切割机....................................................................8 3.激光切割技术的应用及发展前景.............................................10 3.1激光切割技术的市场现状..................................................10 3.2激光切割技术的应用..........................................................12 结论..................................................................................................13

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激光切割技术的原理及应用

材料12A文修曜

摘要

激光加工技术是一种先进制造技术，而激光切割是激光加工应用领域的一部分，激光切割是当前世界上先进的切割工艺。由于它具备精密制造、柔性切割、异型加工、一次成形、速度快、效率高等优点，所以在工业生产中解决了许多常规方法无法解决的难题。激光能切割大多数金属材料和非金属材料。

Abstract

The laser processing technology is a kind of advanced manufacturing technology, and laser cutting is part of the laser processing applications, laser cutting is the current advanced cutting technology in the world.Because it has flexible cutting, stone processing, precision manufacturing, a forming, fast speed, higher efficiency, so in industrial production solved many conventional methods cannot solve the problem.Can laser cutting most of the metal materials and nonmetal materials.关键词：激光切割的原理；激光切割的分类及特点；激光切割技术的应用

1.激光切割技术简介

1.1激光切割技术概述

激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术。它占整个激光加工业的70%以上。激光切割与其他切割方法相比，最大区别是它具有高速、高精度及高适应性的特点。同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切割过程容易实现自动化控制等优点。激光切割板材时，不需要模具，可以替代 2 辽宁科技大学学生论文

一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法，能大大缩短生产周期和降低成本。因此，目前激光切割已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。

激光切割主要是CO2激光切割,激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,并使CO2激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定状的切缝。激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。

激光束聚焦成很小的光点其最小直径可小于0.1mm，使焦点处达到很高的功率密度可超过106W／cm2)。这时光束输入（由光能转换）的热量远远超过被材料反射、传导或扩散部分，材料很快加热至汽化湿度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄（如0.1mm左右）的切缝。切边热影响很小，基本没有工件变形。

切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助气体。钢切割时得用氧作为辅助气体与溶融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性气体。进入喷嘴的辅助气体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。

大多数有机与无机都可以用激光切割。在工业制造占有分量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它具有什么样的硬度，都可进形无变形切割。当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们也是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割。

激光切割无毛刺，皱折、精度高，优于等离子切割。对许多机电制造行业来说，由于微机程序的现代化激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用；尽管它加工速度慢于模冲，但它没有模具消耗，无需修理模具，还节约更换模具时间，从而节省加工费用，降低产品成本，所以从总体上讲在经济上更为合算。

另一方面，从如何使模具适应工件设计尺寸和形状变化角度看，激光切割也 3 辽宁科技大学学生论文

可发挥其精确、重现性好的优势。作为层叠模具的优先制造手段，由于不需要高级模具制作工，激光切割运转费用也并不昂贵，因此还能显著地降低模具制造费用。激光切割模具还带来的附加好处是模具切边会产生一个浅硬化层，提高模具运行中的耐磨性。激光切割的无接触特点给圆锯片切割成形带来无应力优势，由此提高了使用寿命。

1.2激光切割技术的原理

在激光束能量作用下（氧助切割机制下，还要加上喷氧气与到达燃点的金属发生放热反应放出的热量），材料表面被迅速（ms范围）加热到几千乃至上万度（℃）而熔化或汽化，随着汽化物逸出和熔融物体被辅助高压气体（氧气或氮气等惰性气体）吹走，切缝便产生了。脉冲激光适用于金属材料,连续激光适用于非金属材料,后者是激光切割技术的重要应用领域。

激光切割是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，达到切割材料的目的。

该技术采用激光束照射到钢板表面时释放的能量来使不锈钢熔化并蒸发。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率为500～2500瓦。该功率的水平比许多家用电暖气所需要的功率还低，但是，通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域。能量的高度集中能够进行迅速局部加热，使不锈钢蒸发。此外，由于能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的其它部分，所造成的变形很小或没有变形。利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。

激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着CO2激光器及数控技术的不断完善和发展，目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料，成形复杂零件大批量的采用冲压，单件的采用振动剪。七十年代后，为了改善和提高火焰切割的切口质量，又推广了氧乙烷精 辽宁科技大学学生论文

密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期，又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点，在工业生产中有一定的适用范围。

1.3激光切割技术的发展历史

激光切割是激光加工行业中最量要的一项应用技术,由于具有诸多特点,已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门。近年来，激光切割技术发展很快，国际上每年都以20％～30％的速度增长。我国自1985年以来，更以每年25％以上的速度增长。由于我国激光工业基础较差，激光加工技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距，相信随着激光加工技术的不断进步，这些障碍和不足会得到解决。激光切割技术必将成为21世纪不可缺少的重要的钣金加工手段。激光切割加工广阔的应用市场，加上现代科学技术的迅猛发展，使得国内外科技工作者对激光切割加工技术进行不断探入的研究，推动着激光切割技术不断创新，激光切割技术的发展方向如下：

(1)伴随着激光器向大功率发展以及采用高性能的CNC及伺服系统,使用高功率的激光切割可获得高的加工速度,同时减小热影响区和热畸变;所能够切割的材料板厚也格进一步地提高，高功率激光可以通过使用Q 开关或加载脉冲波，从而使低功率激光器产生出高功率激光。

(2)根据激光切割工艺参数的影响情况，改进加工工艺，如：增加辅助气体对切割熔渣的吹力；加入造渣剂提高熔体的流动性；增加辅助能源，并改善能量之间的耦合；以及改用吸收率更高的激光切割。

(3)激光切割将向高度自动化、智能化方向发展。将CAD/CAPP/CAM[4]以及人工智能运用于激光切割，研制出高度自动化的多功能激光加工系统。

(4)根据加工速度自适应地控制激光功率和激光模式或建立工艺数据库和专家自适应控制系统使得激光切割整机性能普遍提高。以数据库为系统核心，面向通用化CAPP开发工具，对激光切割工艺设计所涉及的各类数据进行分析，建立相适应的数据库结构。

(5)向多功能的激光加工中心发展，将激光切割、激光焊接以及热处理等各 辽宁科技大学学生论文

道工序后的质量反馈集成在一起，充分发挥激光加工的整体优势。

(6)随着Internet和WEB技术的发展，建立基于WEB的网络数据库，采用模糊推理机制和人工神经网络来自动确定激光切割工艺参数，并且能够远程异地访问和控别激光切割过程成了不可避免的趋势。

(7)三维高精度大型数控激光切割机及其切割工艺技术，为了满足汽车和航空等工业的立体工件切割的需要，三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向民展，激光切割机器人的应用范围将会愈来愈大。激光切割正向着激光切割单元FMC、无人化和自动化方向发展。

2.激光切割的特点

2.1激光切割的总体特点

激光加工作为一种全新的加工方法，以其加工精确、快捷、操作简单、自动化程度高等优点，在皮革、纺织服装行业内逐渐得到广泛的应用。镭射激光切割机与传统的切割方式相比不仅价格低,消耗低.并且因为激光加工对工件没有机械压力,所以切割出来产品的效果,精度以及切割速度都非常良好.并且还具有操作安全,维修简单等特点.可连续24小时工作。用镭射激光机切割出来的无尘布无纺布边不发黄,自动收边不散边,不变形，不会发硬,尺寸一致且精确；可切割任意复杂形状；效率高、成本低，电脑设计图形,可切割任意形状任各种大小的花边。开发速度快：由于激光和计算机技术的结合，用户只要在计算机上设计，即可实现激光雕刻输出并且可随时变换雕刻,可边设计边出产品。

激光切割是用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面，使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定外形的切缝。

1．精度高：定位精度0.05mm，重复定位精度0.02 mm 2．切缝窄：激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度，材料很快加热至气化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切口宽度一般为0.10～0.20mm。

3．切割面光滑：切割面无毛刺，切口表面粗糙度一般控制在Ra12.5以内。辽宁科技大学学生论文

4．速度快：切割速度可达50m/min，最大定位速度可达70m/min，比线切割的速度快很多。

5．切割质量好：无接触切割，切边受热影响很小，基本没有工件热变形，完全避免材料冲剪时形成的塌边，切缝一般不需要二次加工。

6．不损伤工件：激光切割头不会与材料表面相接触，保证不划伤工件。7．不受被切材料的硬度影响：激光可以对布料，橡皮等柔软材质进行加工，不管什么样的硬度，都可以进行无变形切割。

8．不受工件外形的影响：激光加工柔性好，可以加工任意图形，可以切割管材及其它异型材。

9．可以对非金属进行切割加工：如塑料、木材、PVC、皮革、纺织品、有机玻璃等。

10．节约模具投资：激光加工不需模具，没有模具消耗，无须修理模具，节约更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本，尤其适合大件产品的加工。

2.2 CO2激光切割技术的特点

1.切割质量好

切口宽度窄（一般为0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距误差0.1--0.4mm，轮廓尺寸误差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra为12.5--25μm），切缝一般不需要再加工即可焊接。2.切割速度快

例如采用2KW激光功率，8mm厚的碳钢切割速度为1.6m/min；2mm厚的不锈钢切割速度为3.5m/min，热影响区小，变形极小。3.清洁、安全、无污染

大大改善了操作人员的工作环境。当然就精度和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超过电加工；就切割厚度而言难以达到火焰和等离子切割的水平。但是就以上显著的优点足以证明：CO2激光切割已经和正在取代一部分传统的切割工艺方法，特别是各种非金属材料的切割。它是发展迅速，应用日益广泛的一种先进加工方法。

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2.3半导体激光切割机

1简介

半导体激光切割机采用半导体泵浦激光器，半导体泵浦激光器是近年来国际上发展最快，应用较广的新型激光器。该类型的激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，从而取得了崭新的发展，被称为第二代的激光器。这是一种高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化的第二代新型固体激光器，目前在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗器械，光学图象处理，激光打印机等高科技领域有着独具特色的应用前景。

2特点

1、采用半导体泵浦源和德国高速标记振镜头，光电转化效率高、光束质量好。

2、采用全数字化激光标记和独特的激光选模及深雕技术，确保了设备具有极高的稳定性、精确性和友好的操作性。并可选配自动测焦和调焦系统，满足精确切割和多样化打标需求。

3、周到的防护设计：缺水保护，激光谐振腔光路和激光腔腔体双重密封，防潮装置，防长出光装置。

4、多样的外围装置设计：自动上、下料系统，旋转标记转台，排风除尘系统，激光防护罩及灯光警示装置。

5、光路预览功能，焦点指示功能：在激光的光轴上叠加了可见红光，用于指示激光束的位置，实现对打标范围的预览。增加了指示对焦红光，直观方便的实现了对焦功能。

半导体激光切割机GDBEC-130250，选用进口半导体泵浦源和德国高速标记振镜头，光电转化效率高，光束质量好，可在金属、非金属等各类固性材料上进行精确、快速的打标和划线，并可根据加工材料厚度，调整激光焦距，确保加工的最佳效果。适用于各类普通金属及合金（铁、铜、铝、镁、锌等所有金属）、稀有金属及合金（金、银、钛）、金属氧化物、ABS料（电器用品外壳、日用品）、油墨（透光按键、印刷制品），环氧树脂（电子元件的封装、绝缘层）等材料。

2.4光纤激光切割机

1简介 辽宁科技大学学生论文

光纤激光切割机是利用光纤激光发生器作为光源的激光切割机。光纤激光器是国际上新发展的一种新型光纤激光器输出高能量密度的激光束，并聚集在工件表面上，使工件上被超细焦点光斑照射的区域瞬间熔化和气化，通过数控机械系统移动光斑照射位置而实现自动切割。同体积庞大的气体激光器和固体激光器相比具有明显的优势，已逐渐发展成为高精度激光加工、激光雷达系统、空间技术、激光医学等领域中的重要候选者。

光纤激光切割机它既可做平面切割,也可做斜角切割加工,且边缘整齐、平滑,适用于金属板等高精度的切割加工，同时加上机械臂可以进行三维切割代替原本进口的五轴激光。比起普通二氧化碳激光切割机更节省空间和气体消耗量，光电转化率高，是节能环保的新产品，也是世界上领先技术产品之一。2光纤激光切割机较CO2激光切割机的优势：

1）卓越的光束质量：聚焦光斑更小，切割线条更精细，工作效率更高，加工质量更好；

2）极高的切割速度：是同等功率CO2激光切割机的2倍；

3）极高的稳定性：采用世界顶级的进口光纤激光器，性能稳定，关键部件使用寿命可达10万小时；

4）极高的电光转换效率：光纤激光切割机光电转换效率达30%左右，是CO2激光切割机高3倍，节能环保；

5）极低的使用成本：整机耗电量仅为同类CO2激光切割机的20-30%； 6）极低的维护成本：无激光器工作气体；光纤传输，无需反射镜片；可节约大量维护成本；

7）产品操作维护方便：光纤传输，无需调整光路；

8）超强的柔性导光效果：体积小巧，结构紧凑，易于柔性加工要求。

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当然了，与二氧化碳激光切割机相比，光纤的切割范围相对狭窄。因为波长的原因，其只能切金属材料，对非金属不容易被其吸收，从而影响其切割范围。3与YAG激光切割机相比的优势：

1）切割速度：光纤激光切割机的速度是YAG的4-5倍，适用于大量加工与生产

2）使用成本：光纤激光切割机的使用成本比YAG固体激光切割更少 3）光电转换效率：光纤激光切割机的光电转换效率是YAG的10倍左右 相应的光纤激光器的价格较高，所以光纤激光切割机价高比之YAG激光切割机要高出不少，但比二氧化碳激光切割机要低很多。但其性比价确实三者中最高的。

3.激光切割技术的应用及发展前景

激光切割的应用领域非常广泛, 比如汽车行业、计算机、电气机壳、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、航天工业使用的钦合金等等。近年来, 激光切割的新应用层出不穷, 令人耳目一新。

3.1激光切割技术的市场现状

我国激光产业的发展，虽然是一个初步发展，但在国际科技带领下已经完成了飞跃的发展，并且比同等质量有一个高阶段的突出。以激光切割机来讲，市场的需求高达千万，为广阔的市场添加了新的生机。自从60年代第一台激光设备的诞生和应用开始，我国就有多位专家在激光行业付出了努力，并达到了国际一个微小的差值。在激光行业的发展同时，激光成套工业设备也进入了生产的市场，摆脱了长期依靠国外的局面，解决了国内激光行业的尴尬局面。

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国内经济的飞速发展，成为激光市场的高产业支柱，并且可以达到每年20%以上的增长速，成为全球激光市场的一个新起点，根据专家预测，国内的激光市场仍处于高速的增长阶段，在未来可以在进行翻倍的增加，来最大的扩充激光切割设备的市场，填补国内空白，将国内高端激光设备摆脱受困的状态，成为国际上的顶梁柱。目前国内的激光产业主要在深圳、武汉两地聚集，其中深圳是国内的重要销售市场，并且以多年的发展经验，领先了其他区域。

激光切割指采用激光发射性光束在产品上面打孔，根据水平移动来对应产生的缝隙称为激光切割，激光可以在多产品材料上面切割，如亚克力、刀模板、布料、皮革等行业都能运用激光进行切割，因此激光切割是一种在多行业切割的新型方案。对于这样一种新型的切割方法，相对于传统切割有着什么样的优势呢，下面光博士带您分析下。

激光是利用物质激发产生光，这种光带有强烈的温度，在接触材料时候，能够迅速的在材料表面融化，形成打孔，根据对位对点的移动形成了切割，因此这样的一种切割方法相对于传统的切割方法，缝隙更小，更能够省去大部分材料，然而根据切割效果来定义分析，根据激光进行切割的材料，其切割效果能够满意，精准度又高，这是继承了激光的优势，也是普通切割方式不能够媲美的。

相对于传统切割方式中，激光切割更易懂、易学、在商家需求的加工效果，速度方面都有着绝对的优势，因此相信在未来的切割方式选择中，激光切割机将是大众的需求。

激光切割加工是指采用激光设备来给产品进行加工，这种模式是针对那种初入激光行业，并且小型的加工户，然而这种模式在现今的社会都不提倡了，因为激光设备的价格不再是那种高高在上的设备了，完美的技术发展，优良的加工精细，使得现今的激光设备不再是那样的昂贵，因为它们的设备有针对行业性的，这样能够省去了以往那种高贵的大功率设备加工，现今的小功率设备也能进行加工了，这让这些想购买激光切割机的加工不在需要借用他人的设备进行加工了，激光切割加工模式逐渐被取代了，这是必然性。

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下面分析下激光切割市场以及加工效果，在激光切割市场，凡事了解一点的都清楚，激光切割能够加工多行业，然而需要购买加工多行业的设备，价格是不菲的，然而如果购买的是单行业，如刀模激光切割机、皮革激光切割机等，这些针对行业的设备，价格就不是那样昂贵了，这就是未来的市场，在其加工效果方面，单行业的加工效果，肯定针对单行业其功能是最好的，能够满足此行业的要求，这些在这些行业设备介绍中，光博士有提到，因此在如果想采用激光切割加工的商户们，不妨去尝试着使用激光切割设备直接自己购买进行加工，这样能够帮助你实现以及解决很多的问题！

3.2激光切割技术的应用

大多数激光切割机都由数控程序进行控制操作或做成切割机器人。激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括薄金属板的二维切割或三维切割。

在汽车制造领域，小汽车顶窗等空间曲线的切割技术都已经获得广泛应用。德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。在航空航天领域，激光切割技术主要用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。

激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。不仅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；还能切割加工柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等，如用激光进行服装剪裁，可节约衣料10%～12%，提高功效3倍以上。

从技术经济角度不宜制造模具的金属钣金件，特别是轮廓形状复杂，批量不大,一般厚度；12mm的低碳钢、；6mm厚的不锈钢，以节省制造模具的成本与周期。已采用的典型产品有：自动电梯结构件、升降电梯面板、机床及粮食机械外罩、各种电气柜、开关柜、纺织机械零件、工程机械结构件、大电机硅钢片等。辽宁科技大学学生论文

装饰、广告、服务行业用的不锈钢（一般厚度3mm）或非金属材料（一般厚度20mm）的图案、标记、字体等。如艺术照相册的图案，公司、单位、宾馆、商场的标记，车站、码头、公共场所的中英文字体。

要求均匀切缝的特殊零件。最广泛应用的典型零件是包装印刷行业用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出缝宽为0.7~0.8mm的槽，然后在槽中镶嵌刀片。使用时装在模切机上，切下各种已印刷好图形的包装盒。国内近几年来应用的一个新领域是石油筛缝管。为了挡住泥沙进入抽油泵，在壁厚为6~9mm的合金钢管上切出0.3mm宽的均匀切缝，起割穿孔处小孔直径不能大于0.3mm，切割技术难度大，已有不少单位投入生产。

国外除上述应用外，还在不断扩展其应用领域。

⑴采用三维激光切割系统或配置工业机器人，切割空间曲线，开发各种三维切割软件，以加快从画图到切割零件的过程。

⑵为了提高生产效率，研究开发各种专用切割系统，材料输送系统，直线电机驱动系统等，如今切割系统的切割速度已超过100m/min。

⑶为扩展工程机械、造船工业等的应用，切割低碳钢厚度已超过30mm，并特别注意研究用氮气切割低碳钢的工艺技术，以提高切割厚板的切口质量。因此在中国扩大CO2激光切割的工业应用领域，解决新的应用中一些技术难题仍然是工程技术人员的重要课题。

结论

激光从提出到变为现实的发展史用了几十年，从初生到今天无处不再又是几十年，激光及应用实际上是随着社会需求的进步而得以发展。激光的出现和发展又带动了光学，实验等学科的发展。从社会角度看，激光的产生改变了人们的生活，使之更加方便快捷。随着科技的发展，激光技术必将得到更加广泛的应用于我们世界的各个方面，使人类的科技不断进步。我也坚信，我国的激光技术也将会达到世界领先的水平，为我国各行各业的发展提供有利的条件！

参考文献

[1] 董锋,陆雅娟.激光切割工艺及设备[J].CAD/CAM与制造业信息化,2003,(04)[2] 江海河.激光加工技术应用的发展及展望[J]光电子技术与信息,2001,(04)辽宁科技大学学生论文

[3] 胡兴军,刘向阳.激光切割的基本原理及新进展[J].苏南科技开发,2004,(11)[4] 朱秀芹.激光切割技术在生产中的推广应用[J]衡器,2003,(01)[5] 姜楠.激光切割技术[J].科技传播.2014.10:189-190 [6] 徐秀琼,刘继展,李萍萍.激光切割技术的发展现状及农业领域应用发展[J].农机化研究.2013.03:78-80.[7]邓家科,王中,朱付金,卢飞星.数控激光切割技术发展趋势与市场分析[J].激光与光电子学进展,2009.05:59-63.14

第五篇：水下激光焊接技术的应用

水下激光焊接技术的应用

海洋工程结构因常年在海上工作，其工作环境极为恶劣，除受到结构的工作载荷外，还要承受风暴、波浪、潮流引起的附加载荷以及海水腐蚀、砂流的磨蚀、地震或寒冷地区冰流的侵袭。此外，石油天然气的易燃易爆性对结构也存在威胁。而且海洋结构的主要部分在水下，服役后焊接接头的检查和修补很困难，费用也高，一旦发生重大结构损伤或倾覆事故，将造成生命财产的严重损失。所以对海洋工程结构的设计制造、材料选择以及焊接施工等都有严格的质量要求。而随着海洋石油和天然气工业的发展,海洋管道工程日益向深海挺进,我国作为一个发展中的沿海大国,国民经济要持续发展,就必须把海洋的开发和保护作为一项长期的战略任务。大量的海底管道施工工程对水下焊接技术提出了新的要求。

水下焊接由于水的存在，使焊接过程变得更加复杂，并且会出现各种各样陆地焊接所未遇到的问题，目前，世界各国正在应用和研究的水下焊接方法种类繁多，应用较成熟的是电弧焊。随着水下焊接技术的发展，除了常用的湿法水下焊接、局部干法水下焊接和干法水下焊接以外，又出现了一些新的水下焊接方法。但是，从各国海洋开发的前景来看，水下焊接的研究远远不能适应形势发展的需要。因此，加强这方面的研究，无论是对现在或将来，都将是一项非常有意义的工作。

湿法水下焊接

湿法焊接中，水下焊接的基本问题表现最为突出。因此采用这类方法难以得到质量好的焊接接头，尤其在重要的应用场合，湿法焊接的质量难以令人满意。但由于湿法水下焊接具有设备简单、成本低廉、操作灵活、适应性强等优点。所以，近年来各国对这种方法仍在继续进行研究，特别是涂药焊条和手工电弧焊，在今后一段时期还会得到进一步的应用。在焊条方面，比较先进的有英国Hydroweld公司发展的Hydroweld FS水下焊条，美国的专利水下焊条7018’S 焊条，以及德国Hanover大学基于渣气联合保护对熔滴过渡的影响和保护机理所开发的双层自保护药芯焊条。美国的Stephen Liu等人在焊条药皮中加入锰、钛、硼和稀土元素，改善了焊接过程中的焊接性能，细化了焊缝微观组织。水下焊条的发展促进了湿法水下焊接技术的应用。目前，在国、内外都有采用水下湿法焊条电弧焊技术进行水下焊接施工的范例。

药芯焊丝的出现和发展适应了焊接生产向高效率、低成本、高质量、自动化和智能化方向发展的趋势。英国TWI与乌克兰巴顿研究所成功开发了一套水下湿法药芯焊丝焊接的送丝结构、控制系统及其焊接工艺。华南理工大学机电工程系刘桑、钟继光等人开发了一种药芯焊丝微型排水罩水下焊接方法，从实用经济的角度出发,完全依靠焊接时自身所产生的气体以及水汽化产生的水蒸气排开水而形成一个稳定的局部无水区域,使得电弧能在其中稳定的燃烧。微型排水罩的尺寸和结构决定了焊接过程中无水区(局部排水区)的大小和稳定程度。除此之外，他们还通过复合滤光技术和水下CCD摄像系统，采集出了药芯焊丝水下焊接电弧区域图像，从而为水下湿法焊接电弧的机理分析及水下焊接过程控制奠定了基础。

20081182069光信0802林裕