Transcript 第二讲激光在工业中的应用

第二讲
激光在工业中的应用
1.大型零部件激光淬火及修复设备
系统由5000~8000W高功率CO2激光器、激光专用制冷系统、导光系统、激光数控专用加工机床组成，
主要用于电力、石化行业的各种涡轮动力设备及其它大型回转设备的关键零件进行激光熔覆或修复加工。
序
品目
号
HG －HL－ 5000
HG －HL－6000
HG －HL－8000
1
额定输出功率
5000W
6000W
8000W
2
功率调节范围
200~5000W
200~6000W
200~8000W
3
激光输出模式
多模
多模
多模
4
功率不稳定度
≤± 3%
≤± 3%
≤± 3%
5
激光专用冷却系统制冷
量
6 万大卡
7 万大卡
10 万大卡
6
激光专用冷却系统 冷却
方式
水冷 / 风冷
水冷
水冷
7
光路转折系统
多重转折，有效何证光路和光束质量的稳定性
8
多功能加工机床
根据用户需要定制，采用四轴或五轴 ( 或五轴以上 ) 多轴联动设计，可
操控性强，性能稳定，通过各动作机构联动，可以对平面、圆辊、凹槽、
曲轴弯角、内孔等复杂形态进行激光加 工
9
数控系统
Siemens
系统
Siemens 系统
Siemens 系统
Siemens 系统
2.内齿轮激光淬火
整体简介
该设备由激光器、激光器专用冷水机组、激光加工数控机床等组成，可对各种型号，各种材
料的齿轮进行热处理。传统的齿轮热处理方法如渗碳等存在着诸如变形较大,硬化层沿齿廓分
布不均等缺陷，从而影响齿轮的使用寿命。采用该设备对齿面激光淬火不仅能提高生产率，
降低成本，而且完全能代替渗碳淬火工艺，有明显的经济效益。
产品特点
★采用多项专利技术，配备红光指示、国际品牌光学器件，系统使用寿命长，人机界清晰、
操作简捷易学。
★采用西门子数控系统
★光机电一体化设计结构
★无氦运行激光器采用独特的外桥内腔，获得大功率稳定激光输出，运行成本低；
★采用大流量双温水冷机组，设备稳定性高；
技术参数
地址：湖北省武汉市珞瑜路1037号
★淬火硬度 HRC58±3
华中科技大学激光加工国家工程研究中心
★淬火深度 0.4～2.0mm
邮编：430074
电话／传真：027－87541774 Email：[email protected]
3.激光切割1
▲激光二维精细切割 (材料: 不锈钢, 厚度: 1mm)
▲激光二维精细切割——新款手机翻盖
(材料: 铝合金, 厚度: 0.8mm, 孔径: 0.7mm)
▲激光二维切割 (材料: 单晶硅, 厚度: 0.4mm)
▲激光二维切割 (材料: 不锈钢, 厚度: 4mm)
▼激光三维精细切割——大功率电子管栅极
(材料: 钼, 厚度: 0.3mm, 线宽: 0.3mm)
▼激光三维切割陶瓷体, 厚度: 1.7mm
▲激光三维切割——单晶炉双层炉盖
(材料: 不锈钢, 厚度: 5mm)
▼激光三维精细切割——航空发动机叶形孔
(材料: 不锈钢, 厚度: 1mm, 圆角半径: 0.1mm)
▼激光三维切割——色片工装
(材料: 铝合金, 厚度: 4mm)
▼激光三维切割——飞行员头盔
激光切割2
弹簧钢片.激光切割
陶瓷.Φ0.5mm孔.激光打孔
刻线宽10微米
激光切割2
内燃机缸套.激光刻蚀
4.激光焊接、熔覆与热处理
▲激光焊接——盒体 (材料: 铝合金, 厚度: 3mm)
▲激光焊接——锅炉用钢管
(材料: 耐热钢, 厚度: 7mm)
▲激光焊接——汽车齿轮 (材料: 16MnCr5)
▲激光焊接——纸浆过滤器 (材料: 不锈钢)
不锈钢毛细管.激光焊接
钛管.激光焊接
铸铁.大型轧辊.激光熔覆
不锈钢轴颈.激光熔覆
大型曲轴.激光熔覆
铝合金活塞·激光熔覆
汽轮机叶片·激光熔覆
汽轮机叶片及转子·激光熔覆
电机转子轴颈修复·激光熔覆
▼激光熔覆——航空发动机叶片修复
(熔覆层宽度: 2mm, 熔覆层高度: 1mm)
▼激光熔覆——线材轧辊修复
(基体材料: 低合金高强钢, 熔覆层高度: 8mm)
▼激光熔覆——曲轴花键槽修复 (材料: 18Cr2Ni4W,
熔覆层宽度: 4mm, 熔覆层高度: 0.5mm
铸铁.摩擦轮.激光淬火
激光淬火层的硬度分布
激光熔覆不锈钢合金层显微组织
不锈钢合金层.激光熔覆 （左：基体钢熔覆层 右：不锈钢熔覆层）
▼激光表面淬火——导轨表面强化 (材料: 高强钢)
5.激 光 轧 辊
铁路重轧轧辊激光强化
棒材轧辊激光强化
窄带钢轧辊激光强化
中宽带轧辊激光强化
中厚板轧辊激光强化
大型型材轧辊激光强化
5.激 光 轧 辊
产品性能及特点：
·可对重量50T以内的各类冶金轧辊进行表面激光淬火、熔凝、纳米陶瓷合金化强化处理；
·可加工轧辊尺寸：直径200-1500mm，长度300-6000mm；
·可加工轧辊材料：钢、半钢、铸铁；
·硬化带宽度：窄带1-4mm，宽带10-30mm；
·硬化层深度：0.4-2.0mm；
·激光处理速度：0.25-0.5㎡/hr(5KW激光器),0.5- 0.65 ㎡/hr(10KW激光器)；
·硬化层硬度：HV800-1200，满足轧辊工作要求;
·反射聚焦系统确保轧辊表面强化层组织性能均匀；
·一流的激光强化及修复工艺确保强化和修复效果显著;
·良好的强化效果可提高轧辊使用寿命１至５倍;
·可显著提高轧辊的使用寿命，减少停机时间，大大降低冶金企业生产成本，提高生产效率。
6.轿车车身激光焊接
轿车车身都采用金属构件和复盖件的分块组合。将各种预先制好的结构件，例如风窗立柱，门立柱、门上横、前后冀子板、
前后围板、顶盖等零部件通过焊接和铆接的方式进行组合装配。其中焊接是汽车装配流水线上不可缺少的工序。
激光技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，如果焦点靠近工件，工仵就会在
几毫秒内熔化和蒸发，这一效应可用于焊接工艺。激光焊接设备的关键是大功率激光器，主要有两大类，一类是固体激光
器，又称Nd:YAG激光器。Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝柘榴石，晶体结构与红宝石相似。Nd:YAG激光器波
长为1.06μm，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，因此可以省去复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程
加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车工业常用输出功率为3-4千瓦的Nd:YAG激光器。另一类是气体激光器，
又称CO2激光器，分子气体作工作介质，产生平均为10.6μm的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激光功率
在2-5千瓦之间。
激光焊接的特点是被焊接工件变形极小，几乎没有连接间隙，焊接深度/宽度比高，因此焊接质量比传统焊接方法高。汽
车工业中，激光焊接主要用于车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧面车身的焊接，传统焊接方法的电阻点焊已经逐渐被激
光焊接所代替。用激光焊接技术，工件连接之间的接合面宽度可以减少，既降低了板材使用量也提高了车体的刚度。激光
焊接零部件，零件焊接部位几乎没有变形，焊接速度快，而且不需要焊后热处理。
比较激光焊钛与脉冲氩弧焊焊钛热处理后的组织
激光焊的金相结构
脉冲氩弧焊的金相结构
脉冲氩弧焊焊后热处理的金相结构
7.激光熔覆甲胺泵进排液阀零件密封面
尿素生产线上的主要设备管线和控制元件的内件大多采用各种
耐酸不锈钢制造。对这类元件或对其工作表面进行强化处理，以提
高其工作性能和延长工作寿命，增强系统的可靠性和安全性，具有
重要的意义。
激光熔覆后的阀体阀盖
激光熔层热影响区附近
激光熔层中上部金相组织
采用激光熔覆技术对尿素生产线上的甲胺泵进排液阀零件密封面进行强化。
使用5kW横流CO2激光器对预置于基材为Cr18Ni12Mo2Ti不锈钢的阀体阀盖
零件密封面上的Co基自熔合金粉末进行单道扫描，得到的激光熔层表面光整，
厚度为2mm，基体无变形。激光熔覆层消除了气孔、裂纹、夹杂物等缺陷，
其组织致密，晶粒度细小，硬度和强韧性更高。熔层与基体实现了冶金结合。
8. 激光熔覆技术在机械、石化行业中的应用实例
机器设备由于长期在恶劣环境下工作，容易导致零部件的腐蚀、磨损。典型的易失效零部件包括叶轮、
大型转子的轴颈、轮盘、轴套、轴瓦等，其中许多零件价格昂贵，涉及的零部件品种很多，形状复杂，
工况差异较大。还有大型火力发电机组的大型转子、动叶片与静叶片都是需要进行强化或者修复。
大型转子与轮盘
采用激光熔覆技术进行修复，不需要预热工件，就可以恢复轴颈的尺寸，而且后续加工
量小，不产生冶金裂纹，硬度可以达到HRC60 以上。
武汉大族激光再制造技术有限公司
8.1 轴类零件的激光熔覆与修复工艺
(1）预处理工序：包括工件表面除油、除锈→ 喷砂清理（进一步清理）
→熔覆前处理（将需要激光熔覆的区域清洗干净，将存在明显缺陷的区
域整平）；
（2）质量检验工序：采用磁粉探伤、X射线探伤、荧光探伤或者显示剂
探伤法对清洗干净的表面进行探伤，确定有无明显的缺陷区域存在。
（3）激光熔覆：采用自主知识产权的合金粉末进行激光熔覆，不需要预
热，不产生冶金裂纹，硬度最高可以达到HRC63。
（4）后续加工处理：包括激光熔覆区域的抛磨修整与后处理；必要时喷
耐磨涂层。
（5）质量检验与验收：检验方法同步骤2，确认激光熔覆处理后零件表
面无各种缺 陷，即可进行验收。经过上述处理工序，可以将轴类零件复
旧如新。
8.2 大型齿轮的激光淬火/熔覆
激光淬火齿轮与齿圈，热注入量小，齿轮或者齿圈的热变形小，不降低齿轮
的精度，不破坏齿面的表面粗糙度。采用激光熔覆技术可以直接对断齿等情
况进行修复。
大型齿轮的激光淬火与修复工艺
（1）工艺流程: 清洗齿轮齿面的油污和锈斑；在需要激光加工的齿面及轴颈部分喷涂吸
光涂料，再用激光加工程序对齿面（齿顶、齿根等）进行淬火处理。
（2）淬火工艺参数：齿面的硬度HRC35— 45之间；淬硬层深度为0.4- 0.6mm；激光功
率2.0- 3.5kw；淬火扫描速度为10 – 50 mm/s。采用数控系统分段分区改变工艺参数，
获得相应的激光淬硬层。激光淬火后不用回火处理，齿面的表面粗糙度基本不变。
（3）激光熔覆工艺指标：激光熔覆的单层厚度根据需要可以在 0.2 – 2.5 mm 之间调节。
激光熔覆层的硬度可以根据工件的需求在HRC25 – 60之间调节。
8.3 涡轮盘激光熔覆与修复
烟机的关键易损件主要有轮盘与叶片，采用合适的激光熔覆工艺先将涡轮盘
及侧壁上明显存在的沟槽添平，并且焊补轮盘及侧壁上所有蚀孔与裂纹，然
后采用激光熔覆将与基材性能相当的合金粉末对轮盘进行激光熔覆处理。不
需打底层，也不需预热，就可直接获得高硬度的合金层。
涡轮叶片的激光熔覆与修复工艺
（1）预处理工序：基本工序与前相同；
（2）需要补焊的缺陷检测：通过肉眼观察和实验仪器检测，探测需要进行修复的区域，
包括磨损区域、裂纹区域等，并记录所需要修复的位置；
（3）激光熔覆：一类是显微裂纹的修补，另一类是磨损叶片顶端的接长。采用脉冲激
光熔覆技术，通过控制激光输入的能量、重复频率数和激光扫描速度，可以控制激光熔
覆层不产生裂纹。采用CO2激光进行熔覆处理，可以获得相当的效果。
（4）后续加工：对修复好的叶片进行磨削加工、抛光修整，尺寸达到图纸要求。
（5）质量检测：对修复好的涡轮盘进行质量检测，确认所有修复部位质量达到要求。
（6）精整处理：对检验后的涡轮盘进行表面喷涂涂层等精整处理。
8.4 激光表面强化技术提高大型模具使用寿命的应用
汽车大型覆盖件模具一般用合金铸铁制
造。合金铸铁的特性不宜进行整体热处
理，传统工艺采用火焰淬火，其淬火硬
度为40～50HRC。改用激光淬火，模
具表面硬度可提高到55～65HRC，硬
化层有效深度为0.5～0.7mm，模具耐
磨性大大提高，零件拉伤问题得到有效
控制，模具在线维修率控制在4%以下。
以前每批生产完成后均需对拉深模进行
大面积推磨，现只是需要进行简单维护
保养便可。
8.4 激光表面处理工艺在车身覆盖件模具中的应用
重卡保险杠端头严重拉毛缺陷
卡车保险杠拉延工序件
激光处理层金相组织显微照片
激光处理保险杠凹模
CrMo铸铁经激光强化处理后的硬度分布
激光处理后保险杠上表面冲压效果