现代材料加工技术

桂林电子科技大学信息科技学院现代材料加工技术论文题 目： 现代材料加工技术 专 业： 材料成型及控制工程 学 号： 1053300224 姓 名： 王伟杰 系 别： 机电工程系 现代材料加工技术1053300224 王伟杰摘要：激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。关键词：加工原理、发展前景、强化处理、微细加工、发展前景。Abstract: Laser processing refers to the use of a laser beam projected onto the surface of the material produced by thermal effect to complete the process, including laser welding, laser cutting, surface modification, laser marking, laser drilling and micro-processing. Using a laser beam on a variety of materials processing, such as drilling, cutting, dicing, welding, heat treatment and so on. Laser can adapt to any material manufacturing, especially in some of the special requirements of precision and, in particular, special occasions and material manufacturing plays an irreplaceable roleKey words: processing principle, the prospects for the development and strengthening treatment, micro-machining激光加工回顾20世纪对人类社会产生重大影响的科技发明，激光器的诞生无疑是一个极为耀眼的亮点，激光以其无与伦比的技术优势正继微电子技术之后，推动人类科学技术进入新的发展阶段。发达国家为了在全球竞争环境中占据世界信息技术的制高点，赢得主动权，纷纷加紧实施激光产业发展计划，如美国的“激光核聚变计划”，德国的“激光2001行动计划”，英国实施“阿维尔计划”，日本启动“激光研究五年计划”等。这些项目的实施，有效推动了全球激光产业进入高速发展阶段。一 激光加工的原理及其特点1.激光加工的原理激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。2. 激光加工的特点 激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势：由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。例如：美国通用电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽，不到4H即可高质量完成，而原来采用电火花加工则需要9H以上。仅此一项，每台发动机的造价可省5万美元。激光切割钢件工效可提高8-20倍，材料可节省15-30%，大幅度降低了生产成本，并且加工精度高，产品质量稳定可靠。虽然激光加工拥有许多优点，但不足之处也是很明显的。二 激光技术 用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光加工有许多优点：激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，即使熔点高、硬度大和质脆的材料(如陶瓷、金刚石等)也可用激光加工；激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；工件不受应力，不易污染；可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工；激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工；激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度；在恶劣环境或其他人难以接近的地方，可用机器人进行激光加工。激光打孔 采用脉冲激光器可进行打孔,脉冲宽度为0.11毫秒,特别适于打微孔和异形孔,孔径约为0.0051毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工（图1）。 激光切割、划片与刻字 在造船、汽车制造等工业中,常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光器对大工件进行切割,既能保证精确的空间曲线形状,又有较高的加工效率。对小工件的切割常用中、小功率固体激光器或CO2激光器。在微电子学中，常用激光切划硅片或切窄缝，速度快、热影响区小。用激光可对流水线上的工件刻字或打标记，并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持（图2）。 激光微调 采用中、小功率激光器除去电子元器件上的部分材料，以达到改变电参数（如电阻值、电容量和谐振频率等）的目的。激光微调精度高、速度快，适于大规模生产。利用类似原理可以修复有缺陷的集成电路的掩模，修补集成电路存储器以提高成品率，还可以对陀螺进行精确的动平衡调节(图3)。 激光焊接 激光焊接强度高、热变形小、密封性好，可以焊接尺寸和性质悬殊，以及熔点很高(如陶瓷)和易氧化的材料。激光焊接的心脏起搏器，其密封性好、寿命长，而且体积小。激光热处理 用激光照射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度，可以选择和控制热处理部位，工件变形小,可处理形状复杂的零件和部件,可对盲孔和深孔的内壁进行处理。例如，气缸活塞经激光热处理后可延长寿命；用激光热处理可恢复离子轰击所引起损伤的硅材料。激光加工的应用范围还在不断扩大，如用激光制造大规模集成电路，不用抗蚀剂，工序简单,并能进行0.5微米以下图案的高精度蚀刻加工，从而大大增加集成度。此外，激光蒸发、激光区域熔化和激光沉积等新工艺也在发展中。强化处理 在材料加工业中，切削加工是基本而又常用的精密加工手段，在机械、电机、电子等各种产业部分中都起着重要的作用，决定切削加工效率的因素很多如机床、刀具、工件等，其中刀具是最活跃的因素。而刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面质量的优劣等等，在很大程度上取决于刀具材料的机械性能和加工性能，因此人们不断地研究开发新的刀具材料。但新材料的开发速度常常与现代切削加工生产要求存在一定的差距，如在高速切削3001000m/min切削钢、90200m/min切削钛合金等要达到这样高的切削速度，就要发展具有更加优异的高温力学性能、高化学稳定性和热稳定性及高温热抗振性的刀具材料，加速刀具材料的研究与开发，合理选用刀具材料是推动高速切削技术广泛应用的重要前提。而激光对物体材料表面的强化处理就可以解决刀具材料选择这一问题，下面我就将对这种技术从各方面做一简要的介绍。激光表面强化技术基于激光束的高能量密度加热和工件快速自冷却两个过程，在金属材料激光表面强化中，当激光束能量密度处于低端时可用于金属材料的表面相变强化，当激光束能连密度处于高端时，工件表面光斑出相当与一个移动的坩埚，可完成一系列的 冶金过程，包括表面重熔、表层增碳、表层合金化和表层熔覆。这些功能在实际应用中引发的材料替代技术，将给制造业带来巨大的经济效益。 激光表面强化包括金属表面淬火、表面合金化、表面涂复三个方面，激光表面强化是利用大功率CO2激光器产生的激光束作热源，用激光来辐射待强化的金属表面。通过激光淬火、激光熔融改变合金表面成分，激光熔敷难熔金属或陶瓷，以大幅度改变金属表面的机械性能、化学性能、耐热抗氧化性能，该技术效率高、适应性强、淬火硬度比一般热处理高510HRC，同时节材、节电，不变形，无公害。 而在刀具材料改性中主要应用的是熔化处理，熔化处理是金属材料表面在激光束照射下成为溶化状态，同时迅速凝固，产生新的表面层。根据材料表面组织变化情况，可分为合金化、溶覆、重溶细化、上釉和表面复合化等。激光熔凝是用适当的参数的激光辐照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。它具有以下优点： 1.表面熔化时一般不添加任何金属元素，熔凝层与材料基体形成冶金结合。2.在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的杂志有较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。3.其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可不再进行后续磨光而直接使用。4.提高溶质原子在基体中固溶度极限，晶粒及第二相质点超细化，形成亚稳相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态，从而使生成的新型合金获得传统方法得不到的优良性能。 5.光束可以通过光路导向，因而可以处理零件特殊位置和形状复杂的表面。激光堆焊是继激光熔覆技术上发展起来的一项新的激光加工技术，借鉴传统的堆焊技术优点，用大功率激光为加热源，对同步送入的合金焊丝与基体表层同时快速熔化，得到和基体完全冶金结合的并具有特殊性能（耐磨、耐蚀、耐热等）的表层，形成复合层，用于制造双金属刀具。而激光合金化则是在基体的表面熔融层内加入合金元素，从而形成以基材为基础的新的合金层，达到表面改性，刃口强韧化的目的。 民用刀具使用量大面广，有：厨刀、剪刀、剃须刀、粉碎刀等，目前刀具失效原因主要在刀刃，如刃口磨损、崩刃、腐蚀等，为了达到经久耐用的目的，一般制造工艺方法是：1、采用整体高性能合金材料，如高速钢等；2、采用复合钢，如复合钢板刀剪等；3、刃口镶焊硬质合金材料，如硬质合金、陶瓷、高速钢等。前两种方法原材料要求较高，制造成本较高；而后者由于镶焊往往为材料硬脆性材料，给制造工艺带来困难，如硬质合金与基体的镶焊强度、硬质合金镶焊长度有限等，使用寿命受到影响。 综合激光技术的优点及以被广泛应用的技术的缺点，把激光技术应用于刀具材料表面强化处理，将是提高刀具耐磨性及其使用寿命的重要途径之一，尤其对于陶瓷、硬质合金刀具这种高硬度、耐热性好等优点，有利于提高加工效率和加工精度，并能对难加工材料如淬火钢在不利的加工条件下进行切削加工。由于它们强度相对较低，韧性较差，严重地限制了它们的应用范围，因此把激光表面强化技术应用于陶瓷、硬质合金刀具具有深刻的研究意义和广阔的应用前景。 目前，国内外提高刀具抗磨损的方法主要分为两类：一种是常规的表面处理法，如采用非常规的表面淬火方法、激光熔覆的方法（覆层的合金粉多为Ni、Co基自熔合金或添加粗颗粒的碳化钨或者采用激光厚层熔覆，这类方法比较适用于磨粒磨损很高的工况，例如，矿山、石油、农机等采掘工具）等，其存在的缺点就是易产生裂纹等缺陷。另一种是最近发展起来的涂层刀具，此类方法的缺点就是沉积涂层较薄。这两种方法都有其不同程度的缺点。前者是通过材料本身发生的显微组织转变来提高硬度及耐磨性，因而只对碳钢有效，而对硬质合金、高速钢材料的刀具材料而言则效果不明显，采用后者不仅涂层较薄，涂层沉积时间较长，而且实际使用中常常发生剥落现象。可见激光强化处理技术它的优势是无法估量的，它会给加工业注入新的活力。 以下为激光表面强化技术在刀具材料改性中的应用实例。 1、家用厨刀激光熔覆表面改性 采用激光涂层在常用的不锈钢厨刀刃口进行薄层快速熔覆，得到涂覆层均匀、高耐磨的刀具刃口，代替传统的刀具生产工艺，改造其产业提高刀具（厨刀）产品的内在质量和附加值。通过对涂层材料的配比、激光涂层性能等方面的分析研究，开发出与“懒汉刀”同等水平的厨刀并将其实用化。通过优化工艺采用预置式合金粉末得到了无裂纹、一定硬度涂层的厚度、变形小、回火带窄的刃口。可以看出，熔覆层均匀覆盖在刀刃上。 2、激光熔渗纳米改性强化刀具 激光熔渗是一种结合激光熔覆工艺和激光合金化工艺的表面改性的方法。将其运用到园林刀具生产过程中，可以对不同类型的刀具进行激光表面改性强化。纳米材料较之微米级材料具有更好的力学性能，涂覆于基体表面的纳米合金粉在高密度的激光束作用下快速熔凝，以部分纳米硬质合金颗粒渗入到基体材料中，起到了微合金化作用，而刀具表面又可以获得纳米晶的覆层，因而不仅提高了强韧性及耐磨而且还加深了刀具刃口的硬度层深，延长了刀具的使用寿命。 所以，激光强化技术在刀具材料改性应用潜力将是巨大的。目前国内外对工程陶瓷与硬质合金材料的研究有一定的进展，另一方面激光对刀具进行表面强化处理属当前机械加工领域的前沿，用强激光束对代替某些热处理是一种有效的方法，结合当前纳米技术的发展，在这三个方向的基础上找到它们的结合点，参照同类近似的研究方法，对陶瓷、硬质合金的激光强化机理及技术进行研究，提出了在以后研究工作中将通过对高耐磨/耐蚀/耐热纳米硬质粉材（陶瓷、复合材料等）的研制及配比、激光纳米强化层性能、激光厚层堆焊工艺与硬质合金材料等方面的分析研究，针对不同刀具采用相应的工艺，利用普通的刀具材料开发出提高刀具刃口强韧性、耐磨性及使用寿命的新产品，获得对各种刀具类材料激光堆焊复合、纳米合金熔渗及产品化实用化的总体工艺技术，使其能满足实际生产的复杂要求，尤其是克服陶瓷刀具材料脆性大、可靠性低等缺点，为改进硬质合金和陶瓷材料增添了一条有效的途径。 相信激光合金化表面强化技术在刀具材料改性中具有广泛的应用范围和广阔的应用前景。 微细加工 激光微细加工技术最成功的应用是在20世纪后半叶发展起来的微电子学领域。激光微细加工作为微电子集成工艺中的单元微加工技术之一，现已形成固定模式并投入规模化生产中。除此之外，能突显其优势的领域还有精密光学仪器的制造、高密度信息的写入存储、生物细胞组织的医疗等。选择适当波长的激光，通过各种优化工艺和逼近衍射极限的聚焦系统，获得高质量光束、高稳定性、微小尺寸焦斑的输出。利用其锋芒尖利的“光刀”特性，进行高密微痕的刻制、高密信息的直写；也可利用其光阱的“力”效应，进行微小透明球状物的夹持操作。例如，高精密光栅的刻制（精密光刻）；通过CAD/CAM软件进行仿真图案（或文字）和控制，实现高保真打标；利用光阱的“束缚力”，对生物细胞执行移动操作（生物光镊）。值得一提的是，高密度信息的激光记录和微细机械零部件的光制造。无论是数字记录或是扫描记录，还是图像与文字的模拟记录，激光记录方法(光刻)都具有特别的优势并取得了重要突破，以数字记录为例：信息记录密度高（107108bit/cm2以上），刻录槽宽0.7m、深0.1m，比磁记录密度提高两个数量级以上；记录、检索、读出速度快，单波道达50Mbit/s，多波道可达320Mbit/s；信息的检索和读出速度远远小于1秒；成本低、使用寿命长。在微细机械零部件的光制造方面，最近几年国外已将其列为攻关项目，成为未来高新技术前期研究的热点。日本采用激光技术，制造出微米量级的三维“纳米牛”，这说明日本在微纳量级的三维激光微成型机制上已经取得了巨大的进展。北京工业大学激光工程研究院应用准分子激光，通过掩模方法，已经加工出10齿/50m和108齿/500m的微型齿轮。 该机床既有编码器半闭环损制，还有激光全息式直线移动的全闭环控制。反馈指令的大小直接影响到伺服跟踪误差，编码器与电机直联具有每周6400万个脉冲的分辨率，每个脉冲相当于坐标轴移动0.2nm。编码器反馈单位为1/3nm，故跟踪误差在1/3nm以内。直线尺的分辨率为1nm，跟踪误差约在3nm以内。为了消除电机编码器和直线检测元件本身的误差对反馈的影响，还应用高精度螺距误差补偿技术，开发了有50万点的高密度误差值自动设置的补偿方法。螺距误差补偿值用0.3nm分辨率的激光干涉仪测出。为了降低伺服系统的摩擦，对导轨、丝杠螺母副以及丝杠和伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压支承结构（图2）。伺服电机的若采和定子用空气冷却，使运行时由发热引起的温升控制在抗0.1下。为了防止丝杠转动时的根摆影响到滑鞍运动的平稳性，所用的空气静压螺母不直接固定在滑鞍上。而是通过其两端的与床鞍桥板联接的叉形气垫支承块来传递轴向运动，而其他方向均无约束，从而消除了丝杠偏摆的影响。螺母及两个叉形气垫支承块均由气体静压支承在导轨上被引导作轴向运动（图3）。2. 微细加工工艺 （l）微细机械加工工艺 凸形（外）表面的微细切削大多采用单晶金刚石车刀或铣刀。刀尖半径约为100m。图4为单晶金刚石立铣刀的刀头形状，当刀具回转时，金刚石刀片形成一个45圆锥的切削面。凹形（内）表面的微细切削时，最小的可加工尺寸受刀具尺寸的限制，如钻孔用麻花钻可加工小至50m的孔，更小的孔则无麻花钻商品，可采用扁钻。微细加工中俯个关键问题是刀具安装后的姿态及其与主轴轴线的同轴度是否与坐标系一致，否则很难保证微小的切除量。为此可在同一台机床上制作刀具后进行加工，使刀具的制作和微细加工采用同一工作条件，避免装夹的误差。如果在机床上采用线放电磨削制作铣刀，可以用它铣出50m宽的槽。 在图1微型超精密机床上，用上述工艺方法加工一个直径为1mm，高度为30m的微型雕面像，用金刚石立铣刀加工无氧铜，刀具转速5000r/min，进刀速度粗加工为20mm/min，精加工为5mm/min，吃刀量2m，最好的表面粗糙度可达到Ramax50nm。 （2）微细电加工工艺 微型轴和异形截面杆（图5）的加工可采用线放电磨削法（WEDG）加工。它的独特的放电回路使放能仅为一般电火花加工的1/100。图6为WEDG加工微型轴的原理，电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，就能加工出圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作相应的运动，就能加工出如图5所示的各种形状的杆件。如需获得更为光滑的表面，则可以在WEDG加工后，再采用线电化磨削法（WECG），它是用去离子水在低电流下去除极薄的表面层。 微细电火花加工（MEDM）所用的机床如日本松下电气产业公司的MG-ED71，它的定位控制的分辩率为0.1m，最小加工孔径达5m，表面粗糙度达0.1m。加工节径300m、厚100m的9齿不锈钢齿轮时，先用24m的电极连续打孔加工出粗轮廓，再用31mm电极按齿形曲线扫描出轮廓，精度达3m。也可用它加工微型阶梯轴，最小直径为30m，加工的键槽截面为10m10m。 加工微小零件的电极应在同一台电加工机床上制作，否则由于电极的连接和安装误差很难加工出小于直径100m微型孔。如在微细电火花机床上加工电极或超声加工工具，就可加工出510m微型孔。图7示出在一台冲模机上用WEDG法制作出电火花加工所用的电极，以此做出凹模，并用与做电极相似的方法做出凸模，即成为一套冲模，生产出所需的微型零件。微细电加工与微细机械加工相比虽材料切除率较低，但加工尺寸能更细小，孔的长径比更大可达510，尤其对于微细的复杂凹形内腔加工更有其优越性。三 激光加工的发展前景 激光加工用于再制造业和应用于其他制造业一样，有其不可替代的优点，并优于其它加工技术。激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层，从而使得激光表面加工技术成为再制造的一项重要手段。它主要是采用5KW10KWCO2高功率激光器及其系统。 与国际上激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的4%左右。主要表现为：高档激光加工系统很少，甚至没有；主力激光器不过关；微细激光加工装备缺口较大；而这些领域我国的生产 加工企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。预测今后2-3年内，我国激光加工销售额将会由2008年的35亿人民币上升翻一倍，也就是说会达到70亿元产值。 国内各类制造业接受了激光加工技术，它可使他们的产品增加技术含量，加快产品更新换代，为适应21世纪高新技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。参考文献：【1】张辽远，现代加工技术。北京：机械工业出版社，2008.7【2】宋威廉，激光加工技术的发展。北京：机械工业出版社，2008.3【3】曾智江 朱三根，微细技工技术的研究。北京：高等教育出版社，2007.12【4】孟永刚，激光加工技术。北京：国防工业出版社，2008.01