制造业中的激光测试与激光加工技术

作者：张宝忠 孙慧平 刘萍 范进桢

欢迎访问e展厅 展厅 6 激光测量仪器展厅 激光干涉仪, 激光扫描仪, 激光测径仪, 激光测距仪, ... 激光技术是60年代初发展起来的影响了人类生活方方面面的一门新兴科学，由于激光具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好等特点，在先进制造技术领域得到了广泛的应用，大大推动了制造业的进步。在制造业中广泛应用了激光砚觉三维测量、激光层析成像、激光无损检测技术和激光振动测量。激光快速成型技术、激光焊接技术、激光切割技术、激光打孔技术、激光标记技术、激光热处理技术和激光内腔加工技术在制造业中的应用，对提高产品质量、提高劳动生产辜、减少材料消耗有重要意义，也为实现自动化、无污染制造提供了技术基础。 1 激光测试技术在先进制造业中的应用 制造生产中的许多信息需要通过检测来提供，生产中出现的各种故障要通过检测去发现和防上，所需要的精度也要靠检测来保证。没有可靠的检测就没有现代化与自动化，更没有高效率和高质量。为适应柔性自动化的需要，机器人必须有砚觉系统，能对装配件的形体与姿态进行识别，应装有位置与触觉传感器，进行精确定位与抓握力的控制，自动导引车也应有视觉或声发射传感器，以发现行进中可能有的障碍物等。 1．1 激光视觉三维测量技术 随汁算机技术的日益完善，集信息处理为一体的激光三维砚觉系统得到了快速的发展和应用。工业砚觉测量技术在机械制造业宁的应用主要是视觉检测和视觉引导。视觉检测主要是使用图像或图像的一部分与设定的标准进行比较、判别，以达到检测、分析测试结果。砚觉引导是运用图像处理的方怯来引导自动导向车等的行走路线，找到最佳路径，克服行走障碍，实现准确的、快速的装配、上料等。 广泛应用的光点怯砚觉识别系统和片光怯砚觉识别系统，能对三维零件和平面图形进行正确的识别和分类。提高测量精度和进行快速测量，对大型复杂曲面的宏观形状测量具有广阔的前景，三维测量技术解决了对气轮机叶片等大型工件的曲面测量难题，有助于对产品进行设计仿真、模态分析和性能模拟，提高产品的设汁和制造质量。三维测量技术在机器识别、实物模型、工业检测、生物医学等领域的应用前景越来越广阔。 1．2 激光层析成像技术 通过激光扫描将激光源发出的激光照射到物体或流体的截面，探测阵列接受其透射光及散射光后，转变为数宇信号，获得被测物体的数据，然后再将所测得的数宇信号进行处理，得到所测物体的每一像素点的参数值，根据像素矩阵经图像处理重建所测物体的图像。激光层析成像技术在先进制造业中的逆向工程，流体机械宁流场的温度、密度、压力和速度分析宁有很重要的应用。 1．3 激光无损检测技术 激光技术应用于无损检测的方法有激光全息干涉法、压力波检测怯、激光超生检测怯。激光全息干涉技术能对金属表面缺陷进行检测，压力波检测怯是利用激光作用在材料上所产生的应力对材料的内部缺陷进行检测，激光超生检测法是利用超声到达被测物体表面或沿表面传播时，物体表面形状或反射率的改变，将引起反射光的位置、强度对E位和频率的变化来实现的。 1．4 机械振动的激光测量技术 激光技术用于机械振动测量的方怯有迈克尔逊光纤干涉测量、激光衍射测量、全息术干涉法测量、多普勒测量技术和声光调制双频外差测试仪等。全息术干涉怯测量和多普勒测量技术为非接触式测量，对被测物没有影响，通过对全息干涉条纹进行解调汁算，求出振动机件各向的位移值、振动频辜，发现振源位置。通过对振动的激光测量与振动的特性分析，制造出轻量化、低噪声、低袖耗、高性能的经济型、环保型设备是现代制造业的发展方向和目标。 2 激光加工技术在先进制造业中的应用 由于现代机械制造业的发展，机械制造己包含着一种新的意义。它己经不是传统意义上的机械制造。它是集机械、电子、光学、信息科学、材料科学、生物科学、激光学、管理学等最新成就为一体的一个新兴技术与新兴工业。 2．1 激光快速成型技术 传统的工业成型技术大部分是遵循“去除法”的，如车削、铣削、钻削、磨削、刨削；另外一些是采用模具进行成形，如铸造、冲压。激光快速成形技术集成了激光技术、CAD／CAM技术和材料技术的最新成果，根据汁算机设汁出的零件的CAD模型立体图形，直接制造出模型，它制造模型的办怯是在一层接一层的基础上不断添加材料。激光快速成型方法有，液态光敏聚合物选择性固化、薄型材料选择性切割、丝状材料选择性熔复、粉末材料选择性烧结。 激光快速成型技术在模具制造宁的应用最为广泛，可以用快速成型件直接用作模具；用快速成形件作母模，翻制软模具；用快速成形件翻制硬模具。用快速成形技术制作模具，既避开了复杂的机械切削加工，又可以保证模具的精度，还可以大大缩短制模时间、节省制模费用，对于形状复杂的精度模具，其优点尤为突出。该技术己在航空航天、电子、汽车、家电等工业领域得到广泛应用。但是，目前还存在着模具寿命相对较短的缺点，即使是金属面、硬背衬模具，其使用寿命也不及真正的金属模，所以快速成形模具较适合于单件小批量生产。 2．2 激光焊接技术 激光焊接是目前工业激光应用的第二大领域。激光焊接是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照射到工件上，使工件受热熔化，然后冷却得到焊绕。激光焊结熔深大，速度快，效辜高；激光焊绕窄，热影响区很小，工件变形也很小，可实现精密焊接，激光焊绕结构均匀，品粒很小，气孔少，夹杂缺陷少，在机械性能，抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。 激光焊接技术具有铆他序化效应，能纯净焊绕金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高导热辜和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。目前，汽车行业将不同材质的薄钢板实施激光拼接焊后冲压成型，激光拼接焊取代了电焊。通过光纤传输的多路激光束进行多点或多组件焊接越来越普及。在远离装配区的位置装置一台中心激光器，由技工操作将激光能量用光纤传输到需要加工的地点从而最大限度的利用YAG系统的焊接效果。由于YAG激光器可利用光纤传输能量进行远距高的焊接将大大促进高功率YAG激光焊的发展。 2．3 激光切割技术 激光切割系统一直是激光加工应用最广泛的一项技术，激光切割是利用激光束聚焦形成高功辜密度的光斑，将材料快速加热至汽化温度，再用喷射气体吹化，以此分割材料。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。 与计算机控制的自动设备结合，激光束具有无限的仿形切割能力，切割轨迹修改方便；通过预先在汁算机内设汁，进行众车复杂零件整张板徘料，可牢邵．车零件同时切割，提高效车，节省材料。激光切割无机械变形、无刀具磨损，容易实现自动化生产。激光切割技术用在零件生产线上，做平板切割等工序，配合其生产产品的一道工序，可为完成产品零件生产解决加工关键，或提高加工速度。 2．4 激光打孔技术 激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低和综合技术经济效益显著等优点，己成为现代制造领域的关键技术之一。目前，工业发达国家己将激光深微孔技术大规模地应用到航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和大然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前，激光打孔朝着多样化、高速度、孔径更微小的方向发展。例如，在飞机机翼上打上 5万个直径为 0 064mm的小孔，可以大大减小气流对飞机的阻力，取得节袖的效果。 2．5 激光标记技术 激光标记机的市场是近儿年发展最快的一项应用技术。激光标记是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种技术。激光标记有许多独特的优点，能标记各种宇行、图案、数宇以及条形码，标记线宽可小于0.0lmm。，可深可浅，对很小零件也可打标，这是其他标记方法不能实现的； 激光打的标记属永久性，不像喷墨打印的宇可擦掉；可作防伪标记。不易被人假冒；属不接触加工，所以对零件表面没有损伤；标记的宇符清晰，图形质量好；效率很高，成本低，可对多种材料进行标记；由汁算机操作易于更换标记内容，也可以一个零件一个标记；由于有以上多种特点，所以应用越来越广泛，特别是多种电子器件、集成电路模块、汽车零件甚至汽车窗玻璃、导线、接插件、工具、医疗器械、精密仪器仪表、线路板、橡胶制品、计算机键盘、手机面板、精美礼品、玻璃制品等等。 2．6 激光热处理技术 激光热处理是利用高能激光照射到金属表层，通过激光和金属的交互作用达到改善金属表面性能的目的。激光表面热处理技术包括激光相变硬化技术、激光涂覆技术、激光合金化技术、激光冲击强化技术等，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。激光相变硬化〔即激光淬火〕是激光热处理宁研究最早、最多、进展最快、应用最广的一种新工艺，适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位，可提高零件的耐磨性和疲劳强度。激光合金化和激光涂覆是利用高功率激光束快速扫描金属工件表面，使一种或多种合金元素与工件材料表面一起快速熔化再凝固，共同形成硬化层。激光表面合金化技术是材料表面局部改性处理的新方怯，激光冲击强化使用脉冲宽度极短的激光照射到材料表面，可以产生高强度冲击被，使得金属材料的机械性能改善，阻止裂纹的产生和扩展，提高钢、铝、铁等合金的强度和硬度，改善其抗疲劳性能。激光热处理技术在汽车工业宁应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。 2．7 激光内腔加工技术 在光电通讯、制导和雷达等军工和医疗器械上，经常有一些高精度的内腔形体零件，这些零件口小型腔大，有的内腔形状还比较复杂。如果用传统的工艺方法，将它一分为二分别进行加工，尽管能保证两体加工精度很高，但是在合二为一的装配中，无论什么装配方法，都避免不了装配误差的存在，影响了产品的使用性能，难以实现产品设汁师的构想。伴随MEMS技术的发展，越来越多”口小肚子大”的内腔形体零件需机械制造业突破原有的工艺方法去实现其加工。回此，加工复杂高精度内腔形体难题己成为机械制造业刻不容缓亟待解决的间题。借助激光技术和计算机技术的发展，把激光对透明材料的作用机理运用到内腔加工上，使上述间题的解决成为了现实。激光在固体材料透明材料内部对材料产生作用，若激光的功辜密度大于介质的破坏值，则在激光作用的很短时间内，强激光的辐射将导致介质吸收大量的激光能量，产生使材料破坏的内爆轰，形空隙，达到体内局部切割的作用。由于切割过程相当迅速，聚焦点周围热传递造成的热损伤几乎为零。该方法是非接触加工，因而加工过程无变形，目无噪声和化学污染。 3 结束语 当前机械制造技术不仅在它的信息处理与控制等方面运用了微电子技术、计算机技术、激光加工技术，在加工机理、切削过程乃至所用的刀具也无不渗透着当代的高新技术，再也不是原来意义上的“机械加工”了。随着激光技术的快速发展，激光在机械制造领域的应用越来越广泛，越来越重要，影响越来越大。激光快速找正、激光测量、激光成形加工、焊接、切割、标记以及热处理等激光技术在先进制造业宁的应用，必将引起机械制造业各个领域的全面改观。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (10/19/2006)