激光在表面处理及三维建模中的应用

作者：古贵茹 王涛 蔡彬晶 刘宝利

欢迎访问e展厅 展厅 5 激光焊接机展厅 激光淬火, 激光熔覆, ... 摘要：本文介绍了激光在表面处理及三维建模中的几个典型应用，激光热处理技术解决了其它表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化问题，激光三维建模技术有效地解决了无人自动化生产线上元件三维信息的获取问题，另外，激光在智能识别、快速成型、焊接、熔覆涂层、微加工中也得到了广泛的应用。 关键词：激光应用、激光表面热处理、激光焊接、激光熔覆涂层、三维建模、智能识别、快速成型、 微加工。 Key words: laser; three-dimensional modeling; heat treatment; intelligenti dentification; rapid-process modeling; jointing; fusing coat; micro process 1．前言 激光技术在信息领域、制造业(电子、半导体、机械、汽车、飞机等制造行业)、军事领域、智能化识别及医疗仪器等方面都具有重要应用，特别是激光微细加工向普通的微机械加工提出了巨大的挑战。 随着激光技术的进一步发展和市场的不断扩大，光制造技术将在所有制造领域内取代传统的机械制造，激光微制造技术使微精密元件成为可能，并使微系统朝着多样化和智能化方向发展，最终在汽车、医疗和环保领域得到更广泛的应用，在国民经济和工业发展中起着日益重要的作用。下面对激光在机械制造中的典型应用的核心内容予以介绍。 2. 激光在热处理方面的应用 激光热处理技术是近二十年来发展起来的一种新形材料表面处理技术，近些 年来，大功率激光器和辅助设备的制造技术日益提高，各种表面处理技术日益成熟，使得激光热处理技术的工业应用和深入研究异常活跃。 激光热处理技术的原理基于激光的穿透能力极强，当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时，其表面迅速奥氏体化，然后急速自冷淬火，金属表面迅速被强化，即激光相变硬化。 激光热处理技术可以解决其它表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化问题。经过激光处理后，铸层表层强度可达HRC60度以上，中碳及高碳钢，合金钢的表层硬度可达HRC70度以上，从而提高其抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀、防氧化等性能，延长其使用寿命。 3．激光在焊接方面的应用 激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，该技术具有热影响区窄，焊缝小，大气压力下进行不要求保护气氛，不产生X射线，在磁场内不会出现束偏移等特点，又加之其焊速快、与工件无机械接触、可焊接磁性材料，尤其可焊高熔点的材料和异种金属，并且不需要添加材料，因此很快在电子行业中实现了产业化。国外利用固体YAG激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平。另外，用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可减少热冲击，对电路管芯无影响。日本自九十年代以来，在电子行业的精密焊接方面已实现了从点焊向激光焊接的转变。目前，激光深熔焊接在粉末冶金材料加工领域中的应用也越来越多。 总之，与普通焊接方法相比，激光深熔焊接具有焊接速度快、焊缝深宽比大、热影响区和热变形小、焊缝强度高、易于实现自动化等优点，因此在工业中得到广泛应用。 4．激光在熔覆涂层方面的应用 激光熔覆又称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，在基材表面形成与冶合金结合的填料熔覆层。 由于激光熔覆可将高熔点的的材料熔覆在低熔点的基材表面，而且材料的成分亦不受通常的冶合金热力学条件的限制，因此所采用的熔覆材料的范围是相当广泛的，包括镍基、钴基、铁基合金、碳化物复合合金材料以及陶瓷材料等，其中合金材料和碳化物复合材料的激光熔覆较为成熟，并已获得实际应用。又由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程，激光熔覆对基材的热影响较小，引起的变形也较小。控制激光的输入能量，还可以将基材的稀释作用限制在极低的程度（一般为2%-8%），从而又保持了原熔覆材料的优异性能。 因此该技术以提高材料表面的耐磨、耐蚀等性能为目的，主要用于大型贵重零件磨损后的修复及增强新制造的零件性能。 5.激光在微细加工中的应用 90年代初，随着微机械制造技术和微型机电系统MEMS（Micro Electric Mechanical System）的研究与应用，激光加工的新兴分支，“激光微加工”正在蓬勃的兴起。激光微加工一般是指特征尺寸小于100μm的加工，是微机械制造的一种主要加工技术。 激光加工的实质是激光将能量传递给被加工材料，被加工材料发生物理或化学变化，使其达到加工的目的。激光微细加工工艺既能加工出较为复杂的微型结构，且所要求的条件又不像异性刻蚀和LIGA技术那么苛刻，在实验室和工厂较容易实现，又由于激光具有高时间及高空间分辨率，使之有可能在需要高精密加工的场合（如电子、半导体、通讯等行业）得到进一步推广和应用，所以激光微细加工向普通微机械加工提出了巨大的挑战。 6.激光在物体三维建模及智能识别方面的应用 现代化高新技术产业中，无人化生产线（简称Line）上的元件，诸如电子元件、电子插接件、金属零件及非金属零件，特别是一些具有放射性或有毒的元器件，通常需要对其进行在线实时动态识别或检测、判定其形状、状态、精度。利用激光及动态定位技术则可以很容易的实现以上功能。 激光三维信息的采集方式是利用激光照射扫描Line元件，通过两个以上摄象机配之以瞬时动态定位系统，按Line元器件特点，采用特征识别模式方法建立编制智能识别软件，利用模糊数学原理编制数据处理及建模，编辑智能示教软件，根据Line元件形状复杂程度，相应增加摄象机及激光扫描器的数量，最终实现激光动态识别Line元件的形状及状态。 Line元件的瞬时动态定位原理，在Line上设定识别区，当元件运行进入识别区时瞬间发指令，激光器开始扫描采集元件的形状信息，优先遴选元件的基本定位特征数据及尺寸，确定瞬间定位“线”或“面”，最有效的选法是以Line元件的外廓的最长线作为定位线，以Line元件的外廓的最大面积作为定位面，以此作为二次瞬时采样时的定位基准，为元件的三维形状及状态的动态在线采集与识别提供了前提条件。 激光扫描物点三维坐标数学模型，有效地解决了Line元件三维信息获取问题。瞬时动态定位方法的应用，较好的实现了Line元件的动态在线采集与识别。特征识别模式的建立，为Line元件形状及状态的视觉识别提供了新途径，它使识别软件容易实现而成为实际应用系统。 7．激光在快速成型制造技术中的应用 快速成型是制造技术的一次飞跃，以其特有的快捷性，敏捷性和低成本等特点迅速推广开来，已在工业及医疗领域得到了广泛的应用。 激光选区烧结是快速成型制造中的重要工艺方法之一。该技术采用逐层材料添加的原理，首先对三维实体模型进行切片分区处理生成激光烧结的扫描路径，然后通过X-Y激光扫描仪使激光束沿扫描路径扫描，逐层烧结固化固体粉末材料，如塑料粉，尼龙粉，蜡，陶瓷或金属与粘结剂的混合粉，金属粉等经过预热，经层层叠加后，最终形成所需的三维工件。 这种制造方法具有成型速度快、精度高、表面质量好、后置处理简单、省时等特点，是一个具有生命力的技术，为制造技术的发展创造了一个新方法。 8．结论 激光热处理技术解决了其它表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化问题，激光三维建模技术有效地解决了无人自动化生产线上元件三维信息的获取问题，另外，激光在智能识别、快速成型、焊接、熔覆涂层、微加工中也得到了广泛的应用。随着激光技术的进一步发展和市场的不断扩大，激光技术必将在更宽更广的领域中得到更充分的应用。 作者单位： 1(河北工业大学机械学院，天津 300130) 2(天津大学精密仪器与光电子工程学院 激光与光电子研究所光电信息技术科学教育部重点实验室. 天津 300072)(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/3/2006)