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激光制造技术的现状及发展趋势

激光制造技术的现状及发展趋势

  • 分类:技术展品
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  • 发布时间:2010-07-08 09:47
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激光制造技术的现状及发展趋势

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  激光制造技术的现状及发展趋势

  http://www.CHINA-NTM.com 技术交流  2010年7月8日
 
  作者:肖荣诗,陈铠,陈涛(北京工业大学激光工程研究院)
  摘要:激光制造技术的研究、开发和应用十分活跃。简要介绍了激光连接、金属零件激光快速成形、激光表面改性、激光微纳制造的研究进展和发展趋势。
  20世纪以光科学与工程技术研究为基础所积累的丰硕成果,已在世界范围内对人类现代物质和精神文明做出了巨大的贡献。21世纪将是光子技术进一步大发展的时代,激光技术将成为世界各国竞争的焦点之一,以激光技术为核心的相关产业将成为知识经济时代和信息时代的重要驱动力量。
  激光制造技术是最为广泛和活跃的激光应用领域之一,它具有柔性、高效、高质量等综合优势,可应用于从计算机芯片生产到大型飞机制造等几乎所有的加工领域,在减量化、轻量化、再制造、节能、环保等方面发挥越来越重要的作用。本文就激光先进制造技术重点领域的现状与发展趋势做一简要评述,以期抛砖引玉。
  1  激光连接技术
  20世纪60年代激光问世不久即开始应用于小型、精密零件的焊接。70年代以后随着高功率工业激光技术的不断进步,激光焊接技术得到迅速发展,在汽车、造船、航空航天等工业领域的应用日趋广泛。以汽车工业为例,欧洲50%~70%的汽车零部件生产采用了激光焊接技术,仅德国大众一家公司在生产线上使用的激光焊机就达到700多台。第五代Golf车身激光焊缝总长度达到52.5m,由此,在减轻车身重量的同时,车身抗扭刚度增加了80%以上,抗弯刚度增加超过35%。不仅如此,源于激光焊接的高效率,组装工厂的面积减小了50%。
  20世纪80年代以来,由于节约能源、保护环境和减少污染的迫切需要,世界各国加速交通运输工具轻量化的进程,以铝合金、镁合金等轻质材料代替钢铁材料成为车辆和船舰轻量化的发展方向。而结构整体化、轻量化和低成本制造的要求,使以焊代铆成为飞机机身制造的必然选择。在这种背景下,轻质合金激光焊接技术的研究和应用快速发展。目前铝合金激光焊接技术已取得重大突破,并成功应用于空中客车A318、A340和A380下机身和空气进气道铝合金加筋壁板T型接头的连接,取代了铆接或整体数控加工。铝合金激光焊接技术的逐步成熟也促进了全铝结构轿车的发展,如奥迪A2全铝结构轿车车身激光焊缝的总长度达到30m。图1(略)所示为激光焊接的空中客车A3XX下机身加筋壁板,母材为6013,填充焊丝为4047,采用两台高光束质量的Slab CO2激光器,焊接速度为10 m/min。
  近年来,激光-电弧复合热源焊接的研究异常活跃,并开始走向工业应用。激光-电弧复合热源焊接综合了激光和电弧各自的优点,具有激光焊接的高速度、高效率、低热输入和电弧焊接良好的桥联性和填充金属熔敷效率高的特性。大众汽车公司已将激光-电弧复合热源焊接技术应用于Phaeton轿车铝合金车门和奥迪A8铝合金轿车侧顶梁的焊接。激光-电弧复合焊应用于造船工业的第一条生产线于2002年在德国Meyer造船厂实现,主要用于船体平板和加强筋的焊接。在航空航天领域,Vaidya等人对AA6013(T6)航空铝合金激光-MIG复合热源焊接接头性能研究结果表明,虽然激光-MIG复合热源焊接接头的软化区和热影响区较单纯激光焊接扩大30%,但是接头的拉伸强度并没有下降。相反,延伸率和疲劳性能还有所改善。原因是激光-MIG复合热源焊接改善了焊缝成形,避免了焊缝表面缺陷。
  将具有不同特性的材料组合在一起可以综合利用不同材料的性能优势,因此异种材料激光焊接受到重视,其中激光熔钎焊接正在成为新的研究、应用热点。激光熔钎焊接是通过对激光能量、光斑大小、作用位置和作用时间的精确控制,利用两种母材熔点的差异,使低熔点母材熔化而高熔点母材保持固态的一种连接方法,即在低熔点母材一侧为熔化焊,而在高熔点母材一侧则为钎焊。这种方法避免了熔焊时两种金属液相混合而生成大量脆性金属间化合物,因而可以获得优质的接头。2001年德国不来梅应用射线技术研究所(BIAS)采用YAG激光熔钎焊接新工艺率先实现了1 mm左右铝合金(AlMg0.4Si1.2)与钛合金(TiAl6V4)、铝合金(6000系列)与钢(St14)异种合金薄板搭接接头连接,接头抗拉强度达到220 MPa。国内哈尔滨工业大学、哈尔滨焊接研究所在铝/钛、铝/钢异种合金激光或激光-电弧复合热源熔钎焊接技术方面也开展了大量研究工作。北京工业大学提出了一种激光深熔钎焊的方法,成功实现了黄铜-低碳钢的高效连接,如图2(略)所示。
  激光焊接也可用于塑料、陶瓷、玻璃等非金属材料的连接。塑料的激光焊接技术是近年发展起来的新技术,最显著的优点是能生成精密、牢固和密封的焊缝。激光焊接塑料可以采用激光直接进行焊接,也可以采用掩模焊接。采用掩模焊接时,由于掩模板只暴露出下面塑料层的一个很小的、精确的焊接部位,所以可以实现小至10 μm的高精度焊接。在汽车制造业中,激光焊接塑料技术可用于制造很多汽车零部件,如燃油喷嘴、变档机架、发动机传感器、驾驶室机架、液压油箱、过滤架、辅助水泵、前灯和尾灯等。
  2  金属零件激光快速成形技术
  金属零件激光快速成形技术是将快速原型制造技术的原理与激光熔覆技术结合起来所形成的一种制造高性能致密金属零件的快速成形技术。首先对计算机上生成的零件CAD模型进行切片处理,把复杂的三维零件离散为一系列的二维平面图形,并由此获得扫描轨迹指令,然后,采用高功率激光将同步送入的金属粉末熔化,根据轨迹指令逐层熔覆堆积出任意形状的金属实体零件。1995年该方法由美国首先提出,并随即在国际上迅速发展,逐步形成高性能新材料制备与复杂零件近净成形新技术。美国AeroMet公司同美国三大军用飞机制造商合作,针对海军舰载F/A-18E/F飞机及F22机身机翼关键钛合金零件激光快速成形开展了工业应用技术研究。2001年起即批量生产内机翼拼接接头,机翼转动折叠接头及拉梁支座等大型钛合金飞机机翼零部件。与此同时,美国Sandia国家实验室及Los Alamos国家实验室,分别研究开发出了以小束斑、低功率(300~750 W)Nd:YAG激光逐层沉积为特色的激光净成形技术,已制造出了IN718等镍基高温合金、316等不锈钢以及Re、Ir、W、Ta、NdFeB等难熔金属与难加工材料小型金属零件,其中所制造的Re难熔金属零件已在火箭发动机上得到应用。图3(略)所示为美国AeroMet公司采用激光快速成形技术制造的双发战机机身钛合金隔框。
  德国弗劳恩霍夫激光技术研究所(ILT)还提出一种激光选区熔化成形方法(selectiv e laser melting,SLM),该方法在小型、复杂零件的快速制造上具有技术优势,目前已成功应用于钛合金假牙、不锈钢注塑模具的制造。图4(略)所示为该所制作的纯钛牙修复体。
  国内北京航空航天大学、西北工业大学、清华大学、华南理工大学、华中科技大学等单位在金属零件激光快速成形的相关理论、技术及应用方面开展了大量研究工作。北京航空航天大学与601所合作,突破了飞机钛合金次承力结构激光快速成形制造工艺及装机应用关键技术,2005年以来,激光快速成形TA15钛合金角盒、座椅上下支座、腹鳍接头等飞机钛合金结构件,已成功应用于多种飞机。零件材料利用率提高了5倍、制造周期缩短了2/3、制造成本降低了1/2以上,使我国成为继美国之后,世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及装机应用技术的国家。
  3  激光表面技术
  激光表面技术包括的内容很多,其中激光相变硬化、激光表面合金化和激光熔覆是工业应用较广的加工工艺,主要应用于金属表面改性及零件表面失效修复。图5(略)所示为激光熔覆高温耐磨涂层在航空发动机上的应用实例。
  由于纳米复合粒子的涂层可以有效避免单一纳米粒子的团聚问题,而且还可以充分发挥纳米粒子的优异特性,提高使用效果,因此,纳米复合涂层及金属间化合物基复合涂层得到较快发展。如浙江工业大学进行了激光熔覆镍包纳米氧化铝的实验。纳米氧化铝粒子的加入增加了基质金属的成核率,起到了细晶强化以及弥散强化的作用,使得复合涂层的机械性能大幅度提高。复合涂层的平均硬度比基体提高了1.5倍,耐磨损性能比淬火态基体提高了1.25倍;上海工程技术大学镍基纳米WC/Co复合涂层结果表明,在原子力显微镜下可见粒度≤100 nm的纳米颗粒,复合涂层的断裂韧性Kc比常规喷焊镍基WC/Co涂层的Kc提高了约1.2倍;华中科技大学进行了纳米Ni包h-BN-CaF2复合涂层,有效地改善了BN对基材的润湿性,而加入部分CaF2也大大改善了激光熔池的流动性,形成了具有良好冶金结合和组织致密的熔覆层。清华大学采用铌基金属间化合Nb-12Ti-22Al和Nb-40Ti-15Al两种混合粉末,用激光制备出不同层厚比的脆韧相间叠层结构金属间化合物基复合涂层。叠层结构Nb基金属间化合物复合材料具有良好的室温和高温强度。
  除金属基涂层外,近年来激光制备生物陶瓷复合涂层的研究开始受到关注,基材主要是具有良好生物兼容性的钛合金。大连理工大学采用宽带激光熔覆技术在Ti6Al4V合金上制备了梯度钙-磷基生物陶瓷复合涂层,对其组织和显微硬度进行了研究。重庆大学研究了TC4基材表面激光熔覆同步原位合成生物陶瓷涂层的工艺条件对涂层和基材界面物质相互传输的影响,研究表明添加稀土能够提高涂层与基体的结合强度、抗弯及抗拉强度。
  固体表面形貌对其摩擦行为及抗磨性影响很大,摩擦系统的功效可以通过选择适当的表面织构化处理而不是单纯将其光滑化来改进。织构化技术是在机械零件表面形成有规律的人造表面形貌,起到捕捉磨粒而减少犁沟形成,作为储油器给接触表面提供润滑剂以防止咬合、产生流体动压效应以增加承载能力等作用。近年来关于摩擦表面如汽缸/活塞系统、密封面及导轨等表面的激光织构化处理取得了突破。激光以其能量密度高、柔性和无接触等特性成为表面织构化加工的有力工具。激光表面织构化处理还具有表面硬化效应,会对所形成的表面形貌起到保护作用,进一步改善零件表面的摩擦学性能。
  4  激光微纳制造技术
  进入20世纪末的信息时代后,各先进工业国家开始追求制造越来越小的机械。当今细、小、精、微已成为现代制造技术发展的趋势,并渗透在航空航天、国防、材料、医学、生物等直接关系到国计民生的诸多应用领域中,图6(略)所示为激光加工的心脏血管支架。
  进入21世纪,激光微纳加工从简单的紫外曝光发展到直接刻蚀、微细沉积、微纳粉末成形、固化成形、辅助压印、微焊接、微弯曲等多种工艺方法,微加工所用激光光源也从采用传统工业激光光源向采用超短、超快、高光束质量光源方向发展,包括二/三/四倍频激光、准分子激光、氩离子激光、氦镉激光、光纤激光、皮秒/飞秒激光等。短波长激光微纳加工技术中,一方面是通过深入研究曝光系统和工艺来提高光刻分辨率,并在微电子芯片、光纤光栅的制作中扩大应用;另一方面是利用深紫外激光光化学作用机理,在有机材料、无机非金属材料上实现直接加工。北京工业大学采用准分子激光在高聚物材料上直接加工制作微流控生物芯片,制备出线宽30~350 μm、30个循环、微流路长度2 m的PCR芯片。而具有高光束质量的Ar离子激光、He-Cd激光和光纤激光,由于采用简单光学系统即可获得小的聚焦斑点,因此较多研究集中在以直写工艺进行器件开发尤其是光电子、集成光波导器件开发上。除刻蚀工艺外,生长法的研究也较为活跃:北京工业大学采用微纳粉末烧结制备获得微零件;华中科技大学采用微熔敷扫描布线技术获得30 μm左右的微细印刷线路。作为微纳制造的工具,飞秒激光在超精细加工制造领域的应用已成为世界科技工作者高度关注的目标,成为研究热点和非硅微加工代表技术之一。2002年欧盟就开始实施由24所大学和研究所参与的“纳米光子学”计划,其中纳米光子加工的主要研究内容就是利用飞秒激光的超快、超强效应进行物质的超精细加工。飞秒激光表现出的超强效应使聚焦光强极易达到和超过物质的破坏阈值,从而实现物质表面以及透明材料内部的刻蚀加工。利用亚衍射极限烧蚀技术加工制备纳米结构;根据不同材料的破坏(激发)阈值控制飞秒激光的输出强度,可实现对任何材料的精细加工。已有典型研究包括采用飞秒激光制作二维/三维光子晶体和信息存储器件,密度达500 G/cm3;采用飞秒激光双光子分层直写扫描方法加工真三维微结构,由光敏树脂扩充到复合材料微小零件微结构的直接加工。加工精度突破了100 nm。图7(略)所示为德国LZH激光中心采用飞秒激光的加工实例。最近有报道利用飞秒激光诱导制作固体表面周期性微纳米结构(LIPSSs)(图 8略),为今后高性能隐形技术、手机辐射屏蔽技术、Si探测器、超硬材料表面摩擦性能的研究提供了新的技术实施手段。
  在加工方法上,美国内布拉斯加林肯大学的陆永枫教授利用微球/微针近场光学效应来提高激光束作用材料的分辨率,可获得亚微米到十纳米尺度的结构。瑞士西诺瓦公司(SYNOVA S.A.)利用微细水射流导引激光技术,获得长距离、高平行度的微细光束,从而大幅度降低微加工对焦要求,同时利用水射流的冷却作用降低了加工的热影响,提高了加工质量,可适用于金属、超硬非金属等多种材料的切割和打孔。
  5  结束语
  激光先进制造技术的研究呈加速发展趋势,被加工材料的范围、工艺方法和应用领域不断拓展。随着研究和应用的不断深化,激光先进制造技术必将成为推动传统产业改造升级和其他高新技术发展不可或缺的重要手段。
  摘自《电加工与模具》2009年增刊

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