第一篇：20081182098-激光熔覆技術的應用

激光熔覆技術在航空領域中的應用

激光熔覆技術可顯著改善金屬表面的耐磨、耐腐、耐熱水平及抗氧化性等。目前有關激光熔覆的研究主要集中在工藝開發、熔覆層材料體系、激光熔覆的快速凝固組織及與基體的界面結合和性能測試等方面。

航空領域是關系到國家安全的重要領域，也是國家重點支持的戰略行業。如何將激光熔覆技術更好的運用于我國的航空制造具有極為重要的戰略意義。航空材料是武器裝備研發與生產的重要物質基礎和科技先導，強化航空材料基體硬度和耐磨性能對于航空材料的改進具有極為重要的意義。如大功率激光器的開發和應用，為航空材料表面改性提供了新的手段，也為材料表面強化技術的發展開辟了一條新的途徑。陶瓷材料具有金屬材料不可比擬的高硬度和高化學穩定性，因此可以針對零件的不同服役條件，選擇合適的陶瓷材料，利用高能密度激光束加熱溫度高和加熱速度快的特點，在金屬材料（如鈦合金）表面熔覆一層陶瓷涂層，從而將陶瓷材料優異的耐磨、耐蝕性能與金屬材料的高塑性、高韌性有機地結合起來，可大幅度提高航空零件的使用壽命。

激光熔覆技術在飛機零件制造中的應用

飛機機體和發動機鈦合金構件除了在工作狀態下承受載荷外，還會因發動機的啟動/停車循環形成熱疲勞載荷，在交變應力和熱疲勞雙重作用下，產生不同程度的裂紋，嚴重影響機體或發動機的使用壽命，甚至危及飛行安全。因此，需要研究航空鈦合金結構的表面強化方式，發揮其性能優勢，使之得以更廣泛的應用。

陶瓷分為氧化物陶瓷和碳化物陶瓷，氧化鋁、氧化鈦、氧化鈷、氧化鉻及其復合化合物是應用廣泛的氧化物陶瓷，也是制備陶瓷涂層的主要材料。碳化物陶瓷難以單獨制備涂層，一般與具有鈷、鎳基的自熔合金制備成金屬陶瓷，該金屬陶瓷具有很高的硬度和優異的高溫性能，可用作耐磨、耐擦傷、耐腐蝕涂層，常用的有碳化鎢、碳化鈦和碳化鉻等[7]。采用激光熔覆制備陶瓷涂層可先在材料表面添加過渡層材料（如NiCr、NiAl、NiCrAl、Mb等），然后用脈沖激光熔覆，使過渡層中的Ni、Cr合金與陶瓷中Al2O3、ZrO2等材料熔覆在基體的表面，形成多孔性，基體中的金屬分子也能擴散到陶瓷層中，進而改善涂層的結構和性能。將陶瓷涂層激光熔覆用于航空發動機渦輪葉片是一項很有應用價值的高新技術，常用的激光熔覆材料見表1。

飛機制造中較多采用鈦合金，如Ti-6Al-4V鈦合金用于制造高強度/重量比率、耐熱、耐疲勞和耐腐蝕的零部件。但在這些鈦合金的加工制造中，傳統工藝方法有許多難以克服的弱點，如生產隔板是由數英寸厚和數十千克重的齒形合金板加工而成的，而獲得這些合金板成品需要一年以上。因為難以加工，加工這種零件需要花費加工中心數百小時的工作量，磨損大量的刀具。而激光熔覆技術在這方面具有較大優勢，可以強化鈦合金表面、減少制造時間。

激光熔覆是現代工業應用潛力最大的表面改性技術之一，具有顯著的經濟價值。20世紀80年代初，英國Rolls·Royce公司采用激光熔覆技術對RB211渦輪發動機殼體結合部位進行硬面熔覆，取得了良好效果。表2所示是激光熔覆在航空制造中應用的幾個實例。

近年來，美國AeroMet公司的研發有了實質性的進展，他們生產的多個系列Ti-6Al-4V鈦合金激光熔覆成形零件已獲準在實際飛行中使用。其中F-22戰機上的2個全尺寸接頭滿足疲勞壽命2倍的要求，F/A-18E/F的翼根吊環滿足疲勞壽命4倍的要求，而升降用的連接桿滿足飛行要求、壽命超出原技術要求30%[9]。采用激光熔覆技術表面強化制造的鈦合金零部件不僅性能上超出傳統工藝制造的零件，同時由于材料及加工的優勢，生產成本降低20%～40%，生產周期也縮短了約80%。激光熔覆在航空零部件修復中的應用

激光熔覆技術對飛機的修復產生了直接的影響，優點包括修復工藝自動化、低的熱應力和熱變形等。由于人們期待飛機壽命不斷延長，需要更加復雜的修復和檢修工藝。渦輪發動機葉片、葉輪和轉動空氣密封墊等零部件，可以通過表面激光熔覆強化得到修復。例如，用激光熔覆技術修復飛機零部件中裂紋，一些非穿透性裂紋通常發生在厚壁零部件中，裂紋深度無法直接測量，其他修復技術無法發揮作用。可采用激光熔覆技術，根據裂紋情況多次打磨、探傷，將裂紋逐步清除，打磨后的溝槽用激光熔覆添加粉末的多層熔覆工藝填平，即可重建損傷結構，恢復其使用性能[10]。

激光熔覆發動機渦輪葉片用到的基體材料和合金粉末見表3。用于熔覆的粉末粒子成球狀，尺寸小于150μm。不同合金粉末的熔覆層要選用不同的工藝參數，以獲得最佳的熔覆效果。

把受損渦輪葉片頂端修覆到原先的高度。激光熔覆過程中，激光束在葉片頂端形成很淺的熔深，同時金屬粉末沉積到葉片頂端形成焊道。在計算機數值控制下，焊道層疊使熔覆層增長。與激光熔覆受損葉片不同的是，手工鎢極氬弧堆焊的葉片堆焊后的葉片必須進行額外的后處理。葉片頂端要進行精密加工以露出冷卻過程中形成的空隙，而激光熔覆省去了這些加工過程，大大縮減了時間和成本。

在航空領域，航空發動機的備件價格很高，因此在很多情況下備件維修是比較合算的。但是修復后零部件的質量必須滿足飛行安全要求。例如，航空發動機螺旋槳葉片表面出現損傷時，必須通過一些表面處理技術進行修復。激光熔覆技術可以很好的用于飛機螺旋槳葉片激光三維表面熔覆修復。

圖1所示的航空發動機葉片是經過激光修復的。熔覆材料（合金粉末）為Inconel 625（Cr-Ni-Fe 625合金粉末），葉片材料為Inconel 713。通過金相方法檢測熔覆層的截面可以發現，激光熔覆后在葉片基體材料和熔覆層之間形成了一個冶金結合的熔覆過渡區[11]。

激光熔覆可以強化材料表面的合金熔覆層、提升合金表面的力學和化學性能。堆焊合金粉末是較理想的激光熔覆材料，具有很高的應用價值。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。這個過程可以采用預置涂層法，預置材料可以是絲材、板材、粉末等，最常用的材料為合金粉末。激光熔覆先將熔覆材料預置于基體表面的待熔覆部分，然后用激光束掃描熔化熔覆材料和基體表面來實現表面強化。

熔覆區在激光束和送粉系統的作用下形成，基體材料和合金粉末決定了表面熔覆層的性質。激光直接照射在基體表面形成了一個熔池，同時合金粉末被送到熔池表面。氬氣在激光熔覆的過程中也被送入熔池處以防止基體表面發生氧化。形成的熔池在基體表面，如果合金粉末和基體表面都是固態，合金粉末粒子接觸到基體表面時會被彈出，不會黏著在基體表面發生熔覆；如果基體表面是熔池狀態，合金粉末粒子在接觸到基體表面時就會被黏著，同時在激光束作用下發生激光熔覆現象，形成熔覆帶。圖2所示是用激光熔覆技術修復的渦輪葉片。

激光熔覆層的耐磨性與硬度成正比。熔覆層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性能一般難以兼顧。通過激光熔覆工藝可以改善基體表層的顯微組織和化學成分。

激光熔覆工藝與鎢極氬弧焊（TIG）熔覆工藝相比有很大的優勢。激光熔覆層的性質取決于熔覆合金元素的比例。為了達到最好的預期效果，須盡可能地避免基體材料的稀釋作用，因為熔覆層的硬度和基體材料的稀釋成反比。在Inconel 792合金表面，分別采用激光熔覆和鎢極氬弧焊熔覆Rene142合金粉末，顯微硬度的比較如圖3所示。

從圖3中可見，激光熔覆產生的強化表層硬度比鎢極氬弧焊熔覆的表面硬度要高，其原因在于激光熔覆層的高凝固速度以及在溶池中產生的強對流效應。因此，激光熔覆技術相對鎢極氬弧焊熔覆在航空領域更具有應用價值。

相關資料表明，采用激光熔覆技術修復后的航空部件強度可達到原強度的90％以上，更重要的是縮短了修復時間，解決了重要裝備連續可靠運行所必須解決的轉動部件快速搶修難題。

激光熔覆在航空材料表面改性中的應用

激光熔覆高硬度、耐磨和耐高溫涂層

為了防止在高速、高溫、高壓和腐蝕環境下工作的零部件因表面局部損壞而報廢，提高零部件的使用壽命，世界各國都在致力于研發各種提高零件表面性能的技術[12]。傳統的表面改性技術（如噴涂、噴鍍、堆焊等）由于層間結合力差和受固態擴散差的限制，應用效果并不理想。大功率激光器和寬帶掃描裝置的出現，為材料表面改性提供了一種新的有效手段。激光熔覆是經濟效益高的新型表面改性技術，它可以在廉價、低性能基材上制備出高性能的熔覆層，從而降低材料成本，節約貴重的稀有金屬，提高金屬零件的使用壽命[13]。

現代飛機制造中大量使用鈦合金和鋁合金，例如美國的第四代戰機F-22機體鈦合金的使用量已達到41%，而美國先進的V2500發動機鈦合金的用量也達到了30%左右。鈦及鈦合金具有高比強度、優良的耐腐蝕、良好的耐高溫性能，可以減輕機體重量、提高推重比。鈦合金的缺點是硬度低、耐磨性差。純鈦的硬度為150～200HV，鈦合金通常不超過350HV。在很多情況下，由于鈦及鈦合金表面會生成一層致密的氧化膜從而起到防腐蝕的作用，但是在氧化膜破裂、環境惡劣或發生縫隙腐蝕時，鈦合金的耐腐蝕性能將大大降低。

2000年首飛的美國F-35戰機上鋁合金總用量在30%以上[14]。但是鋁合金的強度不夠高，使用時易生產塑性變形，特別是鋁合金表面硬度低、耐磨性很差，在某種程度上制約了它的應用。

經過激光熔覆的鈦合金表面顯微硬度為800-3000HV。用激光熔覆技術對鋁合金表面進行表面強化是解決鋁合金表面耐磨性差、易塑性變形等問題的有效方法。與其他表面強化方法相比，該方法強化層與鋁基體之間具有冶金結合特點，結合強度高。熔覆層的厚度達到1～3mm，組織非常細小，熔覆層的硬度高、耐磨性好，并具有較強的承載能力，從而避免了軟基體與強化層之間應變不協調而產生裂紋。另外，在鈦合金、鋁合金表面熔覆高性能的陶瓷涂層，材料的耐磨性、耐高溫性能等可以得到大幅度提高。

激光熔覆獲得熱障涂層

近年來，航空發動機燃氣渦輪機向高流量比、高推重比、高進口溫度的方向發展，燃燒室的燃氣溫度和燃氣壓力不斷提高，例如軍用飛機發動機渦輪前溫度已達1800℃，燃燒室溫度達到2000℃～2200℃，這樣高的溫度已超過現有高溫合金的熔點。除了改進冷卻技術外，在高溫合金熱端部件表面制備熱障涂層（Thermal Bamer Coating，TBCs）也是很有效的手段，它可達到1700℃或更高的隔熱效果，以滿足高性能航空發動機降低溫度梯度、熱誘導應力和基體材料服役穩定性的要求[15-16]。20世紀70年代陶瓷熱障涂層（TBCs）被成功用于J-75型燃氣輪機葉片，世界各國投入巨資對其從材料到制備工藝展開了深入的研究。

20世紀80年代以來，在材料表面激光熔覆陶瓷層獲得了致密的柱體晶組織，提高了應變容限；致密、均勻的激光重熔組織以及較低的氣孔率可降低粘結層的氧化率，阻止腐蝕介質的滲透。可利用大功率激光器直接輻射陶瓷或金屬粉末，將其熔化后在金屬表面形成冶金結合，得到垂直于表面的柱狀晶組織。由于熔覆層凝固的次序由表到里，表層組織相對細小，這樣的結構有利于緩和熱應力，例如用激光熔敷方法得到了8%（質量分數）氧化釔部分穩定氧化鋯（YPSZ）熱障涂層。也可將混合均勻的粉末置于基體上，利用大功率激光器輻射混合粉末，通過調節激光功率、光斑尺寸和掃描速度使粉末熔化良好、形成熔池，在此基礎上進一步通過改變成分向熔池中不斷加入合金粉末，重復上述過程，即可獲得梯度涂層。

關鍵部件表面通過激光熔覆超耐磨抗蝕合金，可以在零部件表面不變形的情況下提高零部件的使用壽命、縮短制造周期。激光熔覆生產的熱障涂層有良好的隔熱效果，可以滿足高性能航空發動機降低溫度梯度、熱誘導應力和基體材料服役穩定的要求。

結束語

激光熔覆技術對航空工業的發展有著舉足輕重的作用。激光熔覆技術可以提高飛機零部件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕和抗疲勞等性能,提高材料的使用壽命，還可以用于磨損零部件的修復處理,節約加工成本。激光溶覆技術應用于飛機零部件的制造,可以減少工件制造工序、提高零部件質量。隨著當今科技的進步，飛機整體性能將進一步提高，對材料的要求也越來越高。激光熔覆技術的進一步完善和發展對航空業的技術進步具有重要的作用，航空材料將隨著激光熔覆技術的發展呈現嶄新的面貌。

第二篇：激光熔覆技術分析與展望講解

激光熔覆技術分析與展望

作者：張慶茂激光熔覆是一種新型的涂層技術，是涉及到光、機、電、材料、檢測與控制等多學科的高新技術，是激光先進制造技術最重要的支撐技術，可以解決傳統制造方法不能完成的難題，是國家重點支持和推動的一項高新技術。目前，激光熔覆技術已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一，已廣泛應用于航空、石油、汽車、機械制造、船舶制造、模具制造等行業。為推動激光熔覆技術的產業化，作者：張慶茂

激光熔覆是一種新型的涂層技術，是涉及到光、機、電、材料、檢測與控制等多學科的高新技術，是激光先進制造技術最重要的支撐技術，可以解決傳統制造方法不能完成的難題，是國家重點支持和推動的一項高新技術。目前，激光熔覆技術已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一，已廣泛應用于航空、石油、汽車、機械制造、船舶制造、模具制造等行業。

為推動激光熔覆技術的產業化，世界各國的研究人員針對激光熔覆涉及到的關鍵技術進行了系統的研究，已取得了重大的進展。國內外有大量的研究和會議論文、專利介紹激光熔覆技術及其最新的應用：包括激光熔覆設備、材料、工藝、監測與控制、質量檢測、過程的模擬與仿真等研究內容。但到目前為止，激光熔覆技術還不能大面積工業化應用。分析其原因，這里有政府導向的因素、激光熔覆技術本身成熟程度的限制、社會各界對激光熔覆技術的認可程度等因素。因此，激光熔覆技術欲實現全面的工業化應用，必須加大宣傳力度，以市場需求為導向，重點突破制約發展的關鍵因素，解決工程應用中涉及到的關鍵技術，相信在不遠的將來，激光熔覆技術的應用領域及其強度將不斷的擴大。下面介紹激光熔覆技術幾個發展的動態，以饗讀者。

激光熔覆的優勢

激光束的聚焦功率密度可達1010~12W/cm2，作用于材料能獲得高達1012K/s的冷卻速度，這種綜合特性不僅為材料科學新學科的生長提供了強有力的基礎，同時也為新型材料或新型功能表面的實現提供了一種前所未有的工具。激光熔覆所創造的熔體在高溫度梯度下遠離平衡態的快速冷卻條件，使凝固組織中形成大量過飽和固溶體、介穩相甚至新相，已經被大量研究所證實。它提供了制造功能梯度原位自生顆粒增強復合層全新的熱力學和動力學條件。同時激光熔覆技術制備新材料是極端條件下失效零部件的修復與再制造、金屬零部件的直接制造的重要基礎，受到世界各國科學界和企業的高度重視和多方面的研究。

目前，利用激光熔覆技術可以制備鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、鈦基、鎂基等金屬基復合材料。從功能上分類：可以制備單一或同時兼備多種功能的涂層如：耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等以及特殊的功能性涂層。從構成涂層的材料體系看，從二元合金體系發展到多元體系。多元體系的合金成分設計以及多功能性是今后激光熔覆制備新材料的重要發展方向。

最新的研究表明，在我國工程應用中鋼鐵基的金屬材料占主導地位。同時，金屬材料的失效（諸如腐蝕、磨損、疲勞等）大多發生零部件的工作表面，需要對表面進行強化。為滿足工件的服役條件而采用大塊的原位自生顆粒增強鋼鐵基復合材料制造，不僅浪費材料，而且成本極高。另一方面，從仿生學的角度考察天然生物材料，其組成為外密內疏，性能為外硬內韌，且密—疏、硬—韌從外到內是梯度變化的，天然生物材料的特殊結構使其具有優良的使用性能。根據工程上材料特殊的服役條件和性能的要求，迫切需要開發強韌結合、性能梯度變化的新型表層金屬基復合材料。因此，利用激光熔覆的方法制備與基材呈冶金結合的梯度功能原位自生顆粒增強金屬基復合材料不僅是工程實踐的迫切需要，也是激光表面改性技術發展的必然趨勢。激光熔覆技術制備原位自生顆粒增強金屬基復合材料、功能梯度材料已有報道，但大部分停留在組織、性能分析，工藝參數的控制階段，增強相的尺寸、間距和所占的體積比還不能達到可控制的水平，梯度功能是通過多層涂覆形成的，不可避免地在層與層之間存在界面弱結合的問題，距離實用還有相當長的路。利用激光熔覆技術制備顆粒大小、數量、分布可控，強韌性適當匹配，集梯度功能和原位自生顆粒增強為一體的金屬基表層復合材料是今后重要的發展方向。研究內容涉及到：

● 熔覆材料成分、組織、性能設計的技術、手段和原理及其工藝實現的控制技術。

● 激光熔覆制備功能梯度原位自生顆粒增強金屬基復合材料顆粒增強相析出、長大和強化的熱力學和動力學模型的建立。

● 顆粒增強相形態、結構、功能和復合的仿生設計和尺寸、數量、分布的控制技術。

● 涂層成分、組織和性能梯度控制的原理、關鍵因素和工藝方法的研究。

● 宏觀、微觀界面的觀察、分析控制和表征；功能梯度原位自生顆粒增強金屬基復合材料常規性能的分析和檢測以及不同工況下的磨損行為及失效機制。

這些研究內容的突破，有可能解決涂層與基體相容性不匹配，易于產生裂紋的問題，促進激光熔覆技術應用領域的拓寬。

激光復合熔覆技術

激光熔覆是由激光作為熱源，在基底上包覆一層性能極為優良的合金層，其性能將依照所處理零件的具體要求而定。激光熔覆方法的優點是覆層組織細密、性能優異、熱應力小、變形小以及無污染等。其缺點也是很明顯的：需要很高功率的激光器、單道搭接掃描不適宜大面積處理，難于實現產業化等。為解決這些難題，采用激光復合熔覆技術是有效的途徑之一，也是今后發展的重要方向。激光復合熔覆就是采用普通加熱方法，再加上激光復合加熱來完成熔覆處理工作。普通加熱方法根據需要可以是電加熱、各類感應加熱等。歸納起來，激光復合熔覆技術具有如下的特點：

●“常規（如感應）＋激光”二者復合加熱熔覆是集兩種加熱工藝的優點，同時克服了各自單一方法的不足，充分體現了優勢互補的特點。

● 用常規方法輔佐了激光加熱，從而可以實現用較小功率的激光器完成由原來必需很高功率也不易完成的大面積熔覆，是單一方法無論如何也不易做到的。

● 激光復合熔覆技術擴大了常規技術的新的更廣應用，而對常規技術的采納又進一步促進了激光熔覆技術的應用和產業化的進程。

● 激光復合熔覆技術特別適用于細長桿類，尺寸在一定范圍內的軸類等零件，如抽油泵柱塞、某些類型的軋輥及特殊用途的軸等。

新型激光源的熔覆技術

目前，激光熔覆主要采用的是CO2氣體激光器，用于大型零件的激光熔覆，見圖2和圖3，少部分采用YAG激光器。YAG激光熔覆常采用脈沖激光熔覆。最近的工程應用表明，采用YAG激光熔覆在小型零部件方面更有優勢。

發展的另一個重要的趨勢是采用高功率半導體激光器，利用波長范圍808-965μm的紅光或近紅外激光，較CO2 激光器來看金屬易吸收，可省去前期預處理，方便易操作。大功率半導體激光熔覆技術較其他熔覆方法具有顯著的優勢，見表1。同時，半導體激光可以實現與同軸送粉一體化控制及應用光纖傳輸與擴束技術進行導光聚焦，實現全封閉傳輸或光纖傳輸，實現光、機、電、粉、控一體化高度集成控制；與機器手（人）結合，小型化，可實現移動在線服務，滿足不同層次的需求。可以預見，在傳統CO2、YAG激光熔覆技術之外，新型的大功率半導體激光熔覆設備與工藝，必將逐步發展起來并滿足高質量表面工程的需要，成為激光表面處理的重要組成部分。

極端條件下的激光熔覆技術

隨著激光熔覆技術的成熟與發展，陸續成功的應用于瓦楞輥的激光熔覆見圖4，缸套火焰環的激光熔覆直接制造見圖5，發動機部件修復見圖6等。實現了以激光為主要加工手段對各種金屬部件的幾何缺失，按照原制造標準進行幾何尺寸的回復、性能的提升。隨著科學技術和工程技術的發展與需要，金屬部件工作的條件愈來愈苛刻，經常工作在高交變應力、高溫、高速、高腐蝕等極端條件下。因此，制造金屬部件的材料需要同時具有多種性能才能滿足零件特殊的服役條件。而且這些部件的制造成本、制造周期長，一旦失效產生巨大的經濟損失和安全事故。如輪機裝備中，各類重要的部件如：葉片、轉子軸頸、閥桿、葉輪、閥門等；飛機發動機、內燃機部件等。這些工程上的技術難題，為激光熔覆技術提出了新的挑戰。因此，如何解決極端條件下失效零部件的修復問題是十分迫切和復雜的，需要對極端條件下，零部件的失效形式分析，剩余壽命進行評估，選擇合適的材料、工藝方法。因此，以極端條件下關鍵零部件的強化與修復為切入點，系統研究激光熔覆強化與再制造技術，通過若干關鍵技術的聯合攻關，獲得適合于極端條件下，各種零部件強化與修復的總體技術。重點需要攻關的方向：

● 極端條件下，失效零部件修復（強化）前后，壽命評估技術；

● 極端條件下，失效零部件無損傷修復技術的研究；

● 極端條件下，失效零部件激光修復專用合金材料的研究；

● 實體測量、三維實體堆積造型修復控制系統、修復過程溫度、幾何尺寸和質量智能監控系統的研究；

● 專用的修復附屬裝備的研究；

● 修復層性能測試技術及其加工技術的研究。

激光熔覆技術的展望

激光熔覆技術是集材料制備和表面構型為一體，是綠色再制造技術的重要支撐技術之一，符合國家可持續發展戰略的高新技術。我國科學工作者在基礎理論研究方面處在國際先進水平，為激光熔覆技術的發展做出了巨大的貢獻。但另一方面，激光熔覆技術的應用水平和規模還不能適應市場的需求。需要解決工程應用中的關鍵技術，研究開發專用的合金粉末體系，開發專用的粉末輸送裝置與技術，系統研究無損傷修復的工藝方法，建立質量保證和評價體系，加大力度，培養工程應用方面的人才，相信在制造業市場競爭日趨激烈的今天，激光熔覆技術大有可為。

作者簡介

張慶茂，男，工學博士，教授，廣東激光加工技術產學研結合示范基地主任，廣東省光學學會激光加工專業委員會秘書長。

近年來，主持或參與了國家“九五”、廣東、廣州、吉林等省市、企業多項課題。主要的研究方向：激光加工過程的數值模擬；激光制備原位析出顆粒增強梯度功能金屬基復合材料強化、韌化機理的研究；基于高能激光束的關鍵金屬零件表面強化、修復技術；激光微加工系統集成與工藝技術的研究；非金屬材料的光束處理技術。先后在國內外期刊和重要的學術會議發表研究論文近六十余篇。

第三篇：激光熔覆技術研究的論文

介紹了激光熔覆技術的發展、應用、設備及工藝特點，簡述了激光熔覆技術的國內外研究現狀，指出了激光表面改性技術存在的問題，展望了激光熔覆技術的發展前景。

0引言

激光熔覆技術是20世紀70年代隨著大功率激光器的發展而興起的一種新的表面改性技術，是指激光表面熔敷技術是在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化,光束移開后自激冷卻形成稀釋率極低,與基體材料呈冶金結合的表面涂層,從而顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強化方法[1~3]。如對60#鋼進行碳鎢激光熔覆后，硬度最高達2200HV以上，耐磨損性能為基體60#鋼的20倍左右。在Q235鋼表面激光熔覆CoCrSiB合金后，將其耐磨性與火焰噴涂的耐蝕性進行了對比，發現前者的耐蝕性明顯高于后者[4]。

激光熔覆技術是一種經濟效益很高的新技術,它可以在廉價金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質，降低成本,節約貴重稀有金屬材料，因此,世界上各工業先進國家對激光熔覆技術的研究及應用都非常重視[1-2、5-7]。

1激光熔覆技術的設備及工藝特點

目前應用于激光熔覆的激光器主要有輸出功率為1~10kW的CO2激光器和500W左右的YAG激光器。對于連續CO2激光熔覆,國內外學者已做了大量研究[1]。近年來高功率YAG激光器的研制發展迅速,主要用于有色合金表面改性。據文獻報道,采用CO2激光進行鋁合金激光熔覆,鋁合金基體在CO2激光輻照條件下容易變形,甚至塌陷[1]。YAG激光器輸出波長為1.06μm,較CO2激光波長小1個數量級,因而更適合此類金屬的激光熔覆。

同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[8]

激光熔覆按送粉工藝的不同可分為兩類:粉末預置法和同步送粉法。兩種方法效果相似,同步送粉法具有易實現自動化控制,激光能量吸收率高,無內部氣孔,尤其熔覆金屬陶瓷,可以顯著提高熔覆層的抗開裂性能,使硬質陶瓷相可以在熔覆層內均勻分布等優點。

激光熔覆具有以下特點[2、9]：

(1)冷卻速度快(高達106K/s),屬于快速凝固過程,容易得到細晶組織或產生平衡態所無法得到的新相,如非穩相、非晶態等。

(2)涂層稀釋率低(一般小于5%),與基體呈牢固的冶金結合或界面擴散結合，通過對激光工藝參數的調整,可以獲得低稀釋率的良好涂層,并且涂層成分和稀釋度可控;

(3)熱輸入和畸變較小,尤其是采用高功率密度快速熔覆時,變形可降低到零件的裝配公差內。

(4)粉末選擇幾乎沒有任何限制,特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金;

(5)熔覆層的厚度范圍大,單道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm,(6)能進行選區熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能價格比;

(7)光束瞄準可以使難以接近的區域熔敷;

(8)工藝過程易于實現自動化。

很適合油田常見易損件的磨損修復。

2激光熔覆技術的發展現狀

激光熔覆技術是—種涉及光、機、電、計算機、材料、物理、化學等多門學科的跨學科高新技術。它由上個世紀60年代提出,并于1976年誕生了第一項論述高能激光熔覆的專利。進入80年代,激光熔覆技術得到了迅速的發展,近年來結合CAD技術興起的快速原型加工技術,為激光熔覆技術又添了新的活力。

目前已成功開展了在不銹鋼、模具鋼、可鍛鑄鐵、灰口鑄鐵、銅合金、鈦合金、鋁合金及特殊合金表面鈷基、鎳基、鐵基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆鐵基合金粉末適用于要求局部耐磨而且容易變形的零件。鎳基合金粉末適用于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構件。鈷基合金粉末適用于要求耐磨、耐蝕及抗熱疲勞的零件。陶瓷涂層在高溫下有較高的強度,熱穩定性好,化學穩定性高,適用于要求耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。在滑動磨損、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件下,純的鎳基、鈷基和鐵基合金粉末已經滿足不了使用工況的要求,因此在合金表面激光熔覆金屬陶瓷復合涂層已經成為國內外學者研究的熱點,目前已經進行了鋼、鈦合金及鋁合金表面激光熔覆多種陶瓷或金屬陶瓷涂層的研究[1、10]。

3激光熔覆存在的問題

評價激光熔覆層質量的優劣,主要從兩個方面來考慮。一是宏觀上,考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等;二是微觀上,考察是否形成良好的組織,能否提供所要求的性能。此外,還應測定表面熔覆層化學元素的種類和分布,注意分析過渡層的情況是否為冶金結合,必要時要進行質量壽命檢測。

目前研究工作的重點是熔覆設備的研制與開發、熔池動力學、合金成分的設計、裂紋的形成、擴展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結合力等。

目前激光熔敷技術進一步應用面臨的主要問題是:

①激光熔覆技術在國內尚未完全實現產業化的主要原因是熔覆層質量的不穩定性。激光熔覆過程中,加熱和冷卻的速度極快,最高速度可達1012℃/s。由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數的差異,可能在熔覆層中產生多種缺陷,主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度[1]。

②光熔敷過程的檢測和實施自動化控制。

③激光熔覆層的開裂敏感性，仍然是困擾國內外研究者的一個難題，也是工程應用及產業化的障礙[1、11]。目前，雖然已經對裂紋的形成擴進行了研究[1]，但控制方法方面還不成熟。

4激光熔覆技術的應用和發展前景展望

進入20世紀80年代以來,激光熔敷技術得到了迅速的發展,目前已成為國內外激光表面改性研究的熱點。激光熔敷技術具有很大的技術經濟效益,廣泛應用于機械制造與維修、汽車制造、紡織機械、航海[12]與航天和石油化工等領域。

目前激光熔覆技術已經取得一定的成果,正處于逐步走向工業化應用的起步階段。今后的發展前景主要有以下幾個方面:

(1)激光熔覆的基礎理論研究。

(2)熔覆材料的設計與開發。

(3)激光熔覆設備的改進與研制。

(4)理論模型的建立。

(5)激光熔覆的快速成型技術。

(6)熔覆過程控制的自動化。

第四篇：激光切割技術的原理及應用

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激光切割技術的原理及應用

1.激光切割技術簡介.......................................................................2 1.1激光切割技術概述................................................................2 1.2激光切割技術的原理............................................................4 1.3激光切割技術的發展歷史....................................................5 2.激光切割的特點.............................................................................6 2.1激光切割的總體特點............................................................6 2.2 CO2激光切割技術的特點.....................................................7 2.3半導體激光切割機................................................................8 2.4光纖激光切割機....................................................................8 3.激光切割技術的應用及發展前景.............................................10 3.1激光切割技術的市場現狀..................................................10 3.2激光切割技術的應用..........................................................12 結論..................................................................................................13

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激光切割技術的原理及應用

材料12A文修曜

摘要

激光加工技術是一種先進制造技術，而激光切割是激光加工應用領域的一部分，激光切割是當前世界上先進的切割工藝。由于它具備精密制造、柔性切割、異型加工、一次成形、速度快、效率高等優點，所以在工業生產中解決了許多常規方法無法解決的難題。激光能切割大多數金屬材料和非金屬材料。

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.關鍵詞：激光切割的原理；激光切割的分類及特點；激光切割技術的應用

1.激光切割技術簡介

1.1激光切割技術概述

激光切割是激光加工行業中最重要的一項應用技術。它占整個激光加工業的70%以上。激光切割與其他切割方法相比，最大區別是它具有高速、高精度及高適應性的特點。同時還具有割縫細、熱影響區小、切割面質量好、切割時無噪聲、切割過程容易實現自動化控制等優點。激光切割板材時，不需要模具，可以替代 2 遼寧科技大學學生論文

一些需要采用復雜大型模具的沖切加工方法，能大大縮短生產周期和降低成本。因此，目前激光切割已廣泛地應用于汽車、機車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業部門中。

激光切割主要是CO2激光切割,激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,并使CO2激光束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定狀的切縫。激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動，從而形成一定形狀的切縫。激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。

激光束聚焦成很小的光點其最小直徑可小于0.1mm，使焦點處達到很高的功率密度可超過106W／cm2)。這時光束輸入（由光能轉換）的熱量遠遠超過被材料反射、傳導或擴散部分，材料很快加熱至汽化濕度，蒸發形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續形成寬度很窄（如0.1mm左右）的切縫。切邊熱影響很小，基本沒有工件變形。

切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助氣體。鋼切割時得用氧作為輔助氣體與溶融金屬產生放熱化學反應氧化材料，同時幫助吹走割縫內的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性氣體。進入噴嘴的輔助氣體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內污染鏡片并導致鏡片過熱。

大多數有機與無機都可以用激光切割。在工業制造占有分量很重的金屬加工業，許多金屬材料，不管它具有什么樣的硬度，都可進形無變形切割。當然，對高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。

激光切割無毛刺，皺折、精度高，優于等離子切割。對許多機電制造行業來說，由于微機程序的現代化激光切割系統能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優先選用；盡管它加工速度慢于模沖，但它沒有模具消耗，無需修理模具，還節約更換模具時間，從而節省加工費用，降低產品成本，所以從總體上講在經濟上更為合算。

另一方面，從如何使模具適應工件設計尺寸和形狀變化角度看，激光切割也 3 遼寧科技大學學生論文

可發揮其精確、重現性好的優勢。作為層疊模具的優先制造手段，由于不需要高級模具制作工，激光切割運轉費用也并不昂貴，因此還能顯著地降低模具制造費用。激光切割模具還帶來的附加好處是模具切邊會產生一個淺硬化層，提高模具運行中的耐磨性。激光切割的無接觸特點給圓鋸片切割成形帶來無應力優勢，由此提高了使用壽命。

1.2激光切割技術的原理

在激光束能量作用下（氧助切割機制下，還要加上噴氧氣與到達燃點的金屬發生放熱反應放出的熱量），材料表面被迅速（ms范圍）加熱到幾千乃至上萬度（℃）而熔化或汽化，隨著汽化物逸出和熔融物體被輔助高壓氣體（氧氣或氮氣等惰性氣體）吹走，切縫便產生了。脈沖激光適用于金屬材料,連續激光適用于非金屬材料,后者是激光切割技術的重要應用領域。

激光切割是利用高功率密度的激光束掃描過材料表面，在極短時間內將材料加熱到幾千至上萬攝氏度，使材料熔化或氣化，再用高壓氣體將熔化或氣化物質從切縫中吹走，達到切割材料的目的。

該技術采用激光束照射到鋼板表面時釋放的能量來使不銹鋼熔化并蒸發。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率為500～2500瓦。該功率的水平比許多家用電暖氣所需要的功率還低，但是，通過透鏡和反射鏡，激光束聚集在很小的區域。能量的高度集中能夠進行迅速局部加熱，使不銹鋼蒸發。此外，由于能量非常集中，所以，僅有少量熱傳到鋼材的其它部分，所造成的變形很小或沒有變形。利用激光可以非常準確地切割復雜形狀的坯料，所切割的坯料不必再作進一步的處理。

激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動，從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀七十年代以來隨著CO2激光器及數控技術的不斷完善和發展，目前已成為工業上板材切割的一種先進的加工方法。在五、六十年代作為板材下料切割的主要方法中：對于中厚板采用氧乙炔火焰切割；對于薄板采用剪床下料，成形復雜零件大批量的采用沖壓，單件的采用振動剪。七十年代后，為了改善和提高火焰切割的切口質量，又推廣了氧乙烷精 遼寧科技大學學生論文

密火焰切割和等離子切割。為了減少大型沖壓模具的制造周期，又發展了數控步沖與電加工技術。各種切割下料方法都有其有缺點，在工業生產中有一定的適用范圍。

1.3激光切割技術的發展歷史

激光切割是激光加工行業中最量要的一項應用技術,由于具有諸多特點,已廣泛地應用于汽車、機車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業部門。近年來，激光切割技術發展很快，國際上每年都以20％～30％的速度增長。我國自1985年以來，更以每年25％以上的速度增長。由于我國激光工業基礎較差，激光加工技術的應用尚不普遍，激光加工整體水平與先進國家相比仍有較大差距，相信隨著激光加工技術的不斷進步，這些障礙和不足會得到解決。激光切割技術必將成為21世紀不可缺少的重要的鈑金加工手段。激光切割加工廣闊的應用市場，加上現代科學技術的迅猛發展，使得國內外科技工作者對激光切割加工技術進行不斷探入的研究，推動著激光切割技術不斷創新，激光切割技術的發展方向如下：

(1)伴隨著激光器向大功率發展以及采用高性能的CNC及伺服系統,使用高功率的激光切割可獲得高的加工速度,同時減小熱影響區和熱畸變;所能夠切割的材料板厚也格進一步地提高，高功率激光可以通過使用Q 開關或加載脈沖波，從而使低功率激光器產生出高功率激光。

(2)根據激光切割工藝參數的影響情況，改進加工工藝，如：增加輔助氣體對切割熔渣的吹力；加入造渣劑提高熔體的流動性；增加輔助能源，并改善能量之間的耦合；以及改用吸收率更高的激光切割。

(3)激光切割將向高度自動化、智能化方向發展。將CAD/CAPP/CAM[4]以及人工智能運用于激光切割，研制出高度自動化的多功能激光加工系統。

(4)根據加工速度自適應地控制激光功率和激光模式或建立工藝數據庫和專家自適應控制系統使得激光切割整機性能普遍提高。以數據庫為系統核心，面向通用化CAPP開發工具，對激光切割工藝設計所涉及的各類數據進行分析，建立相適應的數據庫結構。

(5)向多功能的激光加工中心發展，將激光切割、激光焊接以及熱處理等各 遼寧科技大學學生論文

道工序后的質量反饋集成在一起，充分發揮激光加工的整體優勢。

(6)隨著Internet和WEB技術的發展，建立基于WEB的網絡數據庫，采用模糊推理機制和人工神經網絡來自動確定激光切割工藝參數，并且能夠遠程異地訪問和控別激光切割過程成了不可避免的趨勢。

(7)三維高精度大型數控激光切割機及其切割工藝技術，為了滿足汽車和航空等工業的立體工件切割的需要，三維激光切割機正向高效率、高精度、多功能和高適應性方向民展，激光切割機器人的應用范圍將會愈來愈大。激光切割正向著激光切割單元FMC、無人化和自動化方向發展。

2.激光切割的特點

2.1激光切割的總體特點

激光加工作為一種全新的加工方法，以其加工精確、快捷、操作簡單、自動化程度高等優點，在皮革、紡織服裝行業內逐漸得到廣泛的應用。鐳射激光切割機與傳統的切割方式相比不僅價格低,消耗低.并且因為激光加工對工件沒有機械壓力,所以切割出來產品的效果,精度以及切割速度都非常良好.并且還具有操作安全,維修簡單等特點.可連續24小時工作。用鐳射激光機切割出來的無塵布無紡布邊不發黃,自動收邊不散邊,不變形，不會發硬,尺寸一致且精確；可切割任意復雜形狀；效率高、成本低，電腦設計圖形,可切割任意形狀任各種大小的花邊。開發速度快：由于激光和計算機技術的結合，用戶只要在計算機上設計，即可實現激光雕刻輸出并且可隨時變換雕刻,可邊設計邊出產品。

激光切割是用聚焦鏡將激光束聚焦在材料表面，使材料熔化,同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定外形的切縫。

1．精度高：定位精度0.05mm，重復定位精度0.02 mm 2．切縫窄：激光束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度，材料很快加熱至氣化程度，蒸發形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續形成寬度很窄的切縫。切口寬度一般為0.10～0.20mm。

3．切割面光滑：切割面無毛刺，切口表面粗糙度一般控制在Ra12.5以內。遼寧科技大學學生論文

4．速度快：切割速度可達50m/min，最大定位速度可達70m/min，比線切割的速度快很多。

5．切割質量好：無接觸切割，切邊受熱影響很小，基本沒有工件熱變形，完全避免材料沖剪時形成的塌邊，切縫一般不需要二次加工。

6．不損傷工件：激光切割頭不會與材料表面相接觸，保證不劃傷工件。7．不受被切材料的硬度影響：激光可以對布料，橡皮等柔軟材質進行加工，不管什么樣的硬度，都可以進行無變形切割。

8．不受工件外形的影響：激光加工柔性好，可以加工任意圖形，可以切割管材及其它異型材。

9．可以對非金屬進行切割加工：如塑料、木材、PVC、皮革、紡織品、有機玻璃等。

10．節約模具投資：激光加工不需模具，沒有模具消耗，無須修理模具，節約更換模具時間，從而節省了加工費用，降低了生產成本，尤其適合大件產品的加工。

2.2 CO2激光切割技術的特點

1.切割質量好

切口寬度窄（一般為0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.1--0.4mm，輪廓尺寸誤差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra為12.5--25μm），切縫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厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min，熱影響區小，變形極小。3.清潔、安全、無污染

大大改善了操作人員的工作環境。當然就精度和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超過電加工；就切割厚度而言難以達到火焰和等離子切割的水平。但是就以上顯著的優點足以證明：CO2激光切割已經和正在取代一部分傳統的切割工藝方法，特別是各種非金屬材料的切割。它是發展迅速，應用日益廣泛的一種先進加工方法。

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2.3半導體激光切割機

1簡介

半導體激光切割機采用半導體泵浦激光器，半導體泵浦激光器是近年來國際上發展最快，應用較廣的新型激光器。該類型的激光器利用輸出固定波長的半導體激光器代替了傳統的氪燈或氙燈來對激光晶體進行泵浦，從而取得了嶄新的發展，被稱為第二代的激光器。這是一種高效率、長壽命、光束質量高、穩定性好、結構緊湊小型化的第二代新型固體激光器，目前在空間通訊，光纖通信，大氣研究，環境科學，醫療器械，光學圖象處理，激光打印機等高科技領域有著獨具特色的應用前景。

2特點

1、采用半導體泵浦源和德國高速標記振鏡頭，光電轉化效率高、光束質量好。

2、采用全數字化激光標記和獨特的激光選模及深雕技術，確保了設備具有極高的穩定性、精確性和友好的操作性。并可選配自動測焦和調焦系統，滿足精確切割和多樣化打標需求。

3、周到的防護設計：缺水保護，激光諧振腔光路和激光腔腔體雙重密封，防潮裝置，防長出光裝置。

4、多樣的外圍裝置設計：自動上、下料系統，旋轉標記轉臺，排風除塵系統，激光防護罩及燈光警示裝置。

5、光路預覽功能，焦點指示功能：在激光的光軸上疊加了可見紅光，用于指示激光束的位置，實現對打標范圍的預覽。增加了指示對焦紅光，直觀方便的實現了對焦功能。

半導體激光切割機GDBEC-130250，選用進口半導體泵浦源和德國高速標記振鏡頭，光電轉化效率高，光束質量好，可在金屬、非金屬等各類固性材料上進行精確、快速的打標和劃線，并可根據加工材料厚度，調整激光焦距，確保加工的最佳效果。適用于各類普通金屬及合金（鐵、銅、鋁、鎂、鋅等所有金屬）、稀有金屬及合金（金、銀、鈦）、金屬氧化物、ABS料（電器用品外殼、日用品）、油墨（透光按鍵、印刷制品），環氧樹脂（電子元件的封裝、絕緣層）等材料。

2.4光纖激光切割機

1簡介 遼寧科技大學學生論文

光纖激光切割機是利用光纖激光發生器作為光源的激光切割機。光纖激光器是國際上新發展的一種新型光纖激光器輸出高能量密度的激光束，并聚集在工件表面上，使工件上被超細焦點光斑照射的區域瞬間熔化和氣化，通過數控機械系統移動光斑照射位置而實現自動切割。同體積龐大的氣體激光器和固體激光器相比具有明顯的優勢，已逐漸發展成為高精度激光加工、激光雷達系統、空間技術、激光醫學等領域中的重要候選者。

光纖激光切割機它既可做平面切割,也可做斜角切割加工,且邊緣整齊、平滑,適用于金屬板等高精度的切割加工，同時加上機械臂可以進行三維切割代替原本進口的五軸激光。比起普通二氧化碳激光切割機更節省空間和氣體消耗量，光電轉化率高，是節能環保的新產品，也是世界上領先技術產品之一。2光纖激光切割機較CO2激光切割機的優勢：

1）卓越的光束質量：聚焦光斑更小，切割線條更精細，工作效率更高，加工質量更好；

2）極高的切割速度：是同等功率CO2激光切割機的2倍；

3）極高的穩定性：采用世界頂級的進口光纖激光器，性能穩定，關鍵部件使用壽命可達10萬小時；

4）極高的電光轉換效率：光纖激光切割機光電轉換效率達30%左右，是CO2激光切割機高3倍，節能環保；

5）極低的使用成本：整機耗電量僅為同類CO2激光切割機的20-30%； 6）極低的維護成本：無激光器工作氣體；光纖傳輸，無需反射鏡片；可節約大量維護成本；

7）產品操作維護方便：光纖傳輸，無需調整光路；

8）超強的柔性導光效果：體積小巧，結構緊湊，易于柔性加工要求。

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當然了，與二氧化碳激光切割機相比，光纖的切割范圍相對狹窄。因為波長的原因，其只能切金屬材料，對非金屬不容易被其吸收，從而影響其切割范圍。3與YAG激光切割機相比的優勢：

1）切割速度：光纖激光切割機的速度是YAG的4-5倍，適用于大量加工與生產

2）使用成本：光纖激光切割機的使用成本比YAG固體激光切割更少 3）光電轉換效率：光纖激光切割機的光電轉換效率是YAG的10倍左右 相應的光纖激光器的價格較高，所以光纖激光切割機價高比之YAG激光切割機要高出不少，但比二氧化碳激光切割機要低很多。但其性比價確實三者中最高的。

3.激光切割技術的應用及發展前景

激光切割的應用領域非常廣泛, 比如汽車行業、計算機、電氣機殼、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業使用的欽合金等等。近年來, 激光切割的新應用層出不窮, 令人耳目一新。

3.1激光切割技術的市場現狀

我國激光產業的發展，雖然是一個初步發展，但在國際科技帶領下已經完成了飛躍的發展，并且比同等質量有一個高階段的突出。以激光切割機來講，市場的需求高達千萬，為廣闊的市場添加了新的生機。自從60年代第一臺激光設備的誕生和應用開始，我國就有多位專家在激光行業付出了努力，并達到了國際一個微小的差值。在激光行業的發展同時，激光成套工業設備也進入了生產的市場，擺脫了長期依靠國外的局面，解決了國內激光行業的尷尬局面。

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國內經濟的飛速發展，成為激光市場的高產業支柱，并且可以達到每年20%以上的增長速，成為全球激光市場的一個新起點，根據專家預測，國內的激光市場仍處于高速的增長階段，在未來可以在進行翻倍的增加，來最大的擴充激光切割設備的市場，填補國內空白，將國內高端激光設備擺脫受困的狀態，成為國際上的頂梁柱。目前國內的激光產業主要在深圳、武漢兩地聚集，其中深圳是國內的重要銷售市場，并且以多年的發展經驗，領先了其他區域。

激光切割指采用激光發射性光束在產品上面打孔，根據水平移動來對應產生的縫隙稱為激光切割，激光可以在多產品材料上面切割，如亞克力、刀模板、布料、皮革等行業都能運用激光進行切割，因此激光切割是一種在多行業切割的新型方案。對于這樣一種新型的切割方法，相對于傳統切割有著什么樣的優勢呢，下面光博士帶您分析下。

激光是利用物質激發產生光，這種光帶有強烈的溫度，在接觸材料時候，能夠迅速的在材料表面融化，形成打孔，根據對位對點的移動形成了切割，因此這樣的一種切割方法相對于傳統的切割方法，縫隙更小，更能夠省去大部分材料，然而根據切割效果來定義分析，根據激光進行切割的材料，其切割效果能夠滿意，精準度又高，這是繼承了激光的優勢，也是普通切割方式不能夠媲美的。

相對于傳統切割方式中，激光切割更易懂、易學、在商家需求的加工效果，速度方面都有著絕對的優勢，因此相信在未來的切割方式選擇中，激光切割機將是大眾的需求。

激光切割加工是指采用激光設備來給產品進行加工，這種模式是針對那種初入激光行業，并且小型的加工戶，然而這種模式在現今的社會都不提倡了，因為激光設備的價格不再是那種高高在上的設備了，完美的技術發展，優良的加工精細，使得現今的激光設備不再是那樣的昂貴，因為它們的設備有針對行業性的，這樣能夠省去了以往那種高貴的大功率設備加工，現今的小功率設備也能進行加工了，這讓這些想購買激光切割機的加工不在需要借用他人的設備進行加工了，激光切割加工模式逐漸被取代了，這是必然性。

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下面分析下激光切割市場以及加工效果，在激光切割市場，凡事了解一點的都清楚，激光切割能夠加工多行業，然而需要購買加工多行業的設備，價格是不菲的，然而如果購買的是單行業，如刀模激光切割機、皮革激光切割機等，這些針對行業的設備，價格就不是那樣昂貴了，這就是未來的市場，在其加工效果方面，單行業的加工效果，肯定針對單行業其功能是最好的，能夠滿足此行業的要求，這些在這些行業設備介紹中，光博士有提到，因此在如果想采用激光切割加工的商戶們，不妨去嘗試著使用激光切割設備直接自己購買進行加工，這樣能夠幫助你實現以及解決很多的問題！

3.2激光切割技術的應用

大多數激光切割機都由數控程序進行控制操作或做成切割機器人。激光切割作為一種精密的加工方法，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維切割或三維切割。

在汽車制造領域，小汽車頂窗等空間曲線的切割技術都已經獲得廣泛應用。德國大眾汽車公司用功率為500W的激光器切割形狀復雜的車身薄板及各種曲面件。在航空航天領域，激光切割技術主要用于特種航空材料的切割，如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不銹鋼、氧化鈹、復合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有發動機火焰筒、鈦合金薄壁機匣、飛機框架、鈦合金蒙皮、機翼長桁、尾翼壁板、直升機主旋翼、航天飛機陶瓷隔熱瓦等。

激光切割成形技術在非金屬材料領域也有著較為廣泛的應用。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；還能切割加工柔性材料，如布料、紙張、塑料板、橡膠等，如用激光進行服裝剪裁，可節約衣料10%～12%，提高功效3倍以上。

從技術經濟角度不宜制造模具的金屬鈑金件，特別是輪廓形狀復雜，批量不大,一般厚度；12mm的低碳鋼、；6mm厚的不銹鋼，以節省制造模具的成本與周期。已采用的典型產品有：自動電梯結構件、升降電梯面板、機床及糧食機械外罩、各種電氣柜、開關柜、紡織機械零件、工程機械結構件、大電機硅鋼片等。遼寧科技大學學生論文

裝飾、廣告、服務行業用的不銹鋼（一般厚度3mm）或非金屬材料（一般厚度20mm）的圖案、標記、字體等。如藝術照相冊的圖案，公司、單位、賓館、商場的標記，車站、碼頭、公共場所的中英文字體。

要求均勻切縫的特殊零件。最廣泛應用的典型零件是包裝印刷行業用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出縫寬為0.7~0.8mm的槽，然后在槽中鑲嵌刀片。使用時裝在模切機上，切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國內近幾年來應用的一個新領域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進入抽油泵，在壁厚為6~9mm的合金鋼管上切出0.3mm寬的均勻切縫，起割穿孔處小孔直徑不能大于0.3mm，切割技術難度大，已有不少單位投入生產。

國外除上述應用外，還在不斷擴展其應用領域。

⑴采用三維激光切割系統或配置工業機器人，切割空間曲線，開發各種三維切割軟件，以加快從畫圖到切割零件的過程。

⑵為了提高生產效率，研究開發各種專用切割系統，材料輸送系統，直線電機驅動系統等，如今切割系統的切割速度已超過100m/min。

⑶為擴展工程機械、造船工業等的應用，切割低碳鋼厚度已超過30mm，并特別注意研究用氮氣切割低碳鋼的工藝技術，以提高切割厚板的切口質量。因此在中國擴大CO2激光切割的工業應用領域，解決新的應用中一些技術難題仍然是工程技術人員的重要課題。

結論

激光從提出到變為現實的發展史用了幾十年，從初生到今天無處不再又是幾十年，激光及應用實際上是隨著社會需求的進步而得以發展。激光的出現和發展又帶動了光學，實驗等學科的發展。從社會角度看，激光的產生改變了人們的生活，使之更加方便快捷。隨著科技的發展，激光技術必將得到更加廣泛的應用于我們世界的各個方面，使人類的科技不斷進步。我也堅信，我國的激光技術也將會達到世界領先的水平，為我國各行各業的發展提供有利的條件！

參考文獻

[1] 董鋒,陸雅娟.激光切割工藝及設備[J].CAD/CAM與制造業信息化,2003,(04)[2] 江海河.激光加工技術應用的發展及展望[J]光電子技術與信息,2001,(04)遼寧科技大學學生論文

[3] 胡興軍,劉向陽.激光切割的基本原理及新進展[J].蘇南科技開發,2004,(11)[4] 朱秀芹.激光切割技術在生產中的推廣應用[J]衡器,2003,(01)[5] 姜楠.激光切割技術[J].科技傳播.2014.10:189-190 [6] 徐秀瓊,劉繼展,李萍萍.激光切割技術的發展現狀及農業領域應用發展[J].農機化研究.2013.03:78-80.[7]鄧家科,王中,朱付金,盧飛星.數控激光切割技術發展趨勢與市場分析[J].激光與光電子學進展,2009.05:59-63.14

第五篇：水下激光焊接技術的應用

水下激光焊接技術的應用

海洋工程結構因常年在海上工作，其工作環境極為惡劣，除受到結構的工作載荷外，還要承受風暴、波浪、潮流引起的附加載荷以及海水腐蝕、砂流的磨蝕、地震或寒冷地區冰流的侵襲。此外，石油天然氣的易燃易爆性對結構也存在威脅。而且海洋結構的主要部分在水下，服役后焊接接頭的檢查和修補很困難，費用也高，一旦發生重大結構損傷或傾覆事故，將造成生命財產的嚴重損失。所以對海洋工程結構的設計制造、材料選擇以及焊接施工等都有嚴格的質量要求。而隨著海洋石油和天然氣工業的發展,海洋管道工程日益向深海挺進,我國作為一個發展中的沿海大國,國民經濟要持續發展,就必須把海洋的開發和保護作為一項長期的戰略任務。大量的海底管道施工工程對水下焊接技術提出了新的要求。

水下焊接由于水的存在，使焊接過程變得更加復雜，并且會出現各種各樣陸地焊接所未遇到的問題，目前，世界各國正在應用和研究的水下焊接方法種類繁多，應用較成熟的是電弧焊。隨著水下焊接技術的發展，除了常用的濕法水下焊接、局部干法水下焊接和干法水下焊接以外，又出現了一些新的水下焊接方法。但是，從各國海洋開發的前景來看，水下焊接的研究遠遠不能適應形勢發展的需要。因此，加強這方面的研究，無論是對現在或將來，都將是一項非常有意義的工作。

濕法水下焊接

濕法焊接中，水下焊接的基本問題表現最為突出。因此采用這類方法難以得到質量好的焊接接頭，尤其在重要的應用場合，濕法焊接的質量難以令人滿意。但由于濕法水下焊接具有設備簡單、成本低廉、操作靈活、適應性強等優點。所以，近年來各國對這種方法仍在繼續進行研究，特別是涂藥焊條和手工電弧焊，在今后一段時期還會得到進一步的應用。在焊條方面，比較先進的有英國Hydroweld公司發展的Hydroweld FS水下焊條，美國的專利水下焊條7018’S 焊條，以及德國Hanover大學基于渣氣聯合保護對熔滴過渡的影響和保護機理所開發的雙層自保護藥芯焊條。美國的Stephen Liu等人在焊條藥皮中加入錳、鈦、硼和稀土元素，改善了焊接過程中的焊接性能，細化了焊縫微觀組織。水下焊條的發展促進了濕法水下焊接技術的應用。目前，在國、內外都有采用水下濕法焊條電弧焊技術進行水下焊接施工的范例。

藥芯焊絲的出現和發展適應了焊接生產向高效率、低成本、高質量、自動化和智能化方向發展的趨勢。英國TWI與烏克蘭巴頓研究所成功開發了一套水下濕法藥芯焊絲焊接的送絲結構、控制系統及其焊接工藝。華南理工大學機電工程系劉桑、鐘繼光等人開發了一種藥芯焊絲微型排水罩水下焊接方法，從實用經濟的角度出發,完全依靠焊接時自身所產生的氣體以及水汽化產生的水蒸氣排開水而形成一個穩定的局部無水區域,使得電弧能在其中穩定的燃燒。微型排水罩的尺寸和結構決定了焊接過程中無水區(局部排水區)的大小和穩定程度。除此之外，他們還通過復合濾光技術和水下CCD攝像系統，采集出了藥芯焊絲水下焊接電弧區域圖像，從而為水下濕法焊接電弧的機理分析及水下焊接過程控制奠定了基礎。

20081182069光信0802林裕