EI,PKU,21世纪的绿色制造——激光制造技术及应用
２００９年ｌＯ月左铁钏等：２１世纪的绿色制造——激光制造技术及应用１０７
迅速在汽车、电子、航空航天、机械、冶金、铁路和船舶等工业部门广泛应用，几乎包括了国民经济的所有领域，被誉为“制造系统共同的加工手段”。
世界制造业对激光制造技术有迫切的市场需求，全球工业激光器的年销售额己达数十亿美元。我国是一个制造大国，现代激光制造技术的研究、开发、应用及产业化对国民经济发展具有现实的重要意义。但是我国总体技术水平落后，可以说只是一个组装业，核心技术几乎全部掌握在别人手中。我们要成为世界制造大国，不能光依赖人力资源优势，先进的制造技术才是我国能否成为世界制造业中心和制造强国的关键。发达国家的实践已经证明，激光制造技术在改造和提升传统产业和发展高新技术产业上都起着前沿开拓者的作用。现代激光制造技术在２１世纪经济可持续发展中占有重要地位，将给我国国民经济的发展以深刻的影响。
１激光技术在运输机械制造中的先进性
１．１汽车工业
以汽车工业为例，在样车的开发和小批量试生产时，用高度柔性的激光三维切割取代冲孔和修边模具，不仅可以节省大量模具，同时极大地缩短了新车型的开发周期。传统方法研制开发一代新车一般需要５～７年的时间，采用计算机辅助设计和辅助制造技术后，新车型的开发周期缩短到了３年，在此基础上应用激光技术，新车型的开发周期缩短到７个月。由于激光三维切割取代模具的优势显著，德国大众汽车公司早在１９８６年就采用了激光柔性机器手切割系统，逐步发展成为汽车制造业巨头。
在汽车零部件制造方面，激光焊接的变速器齿轮替代了花键联接的齿轮，极大地减少了零部件的数量，提高了变速器的整体质量与性能，降低了变速器齿轮的制造成本；根据车身不同部位的承重和使用要求，利用激光焊接将不同材质、不同厚度和不同表面状态的坯板拼焊在一起，然后一次压制成形制造车身部件，极大地简化了生产工艺流程，节省了大量材料，显著降低了车身重量。汽车工业发达的欧、美等国家和地区都建立了生产激光拼焊板的专业公司。
在车身总装上，激光焊接取代了电阻点焊工艺（图１），使得汽车设计师可以自由地发挥其想象力和创造性，设计出独特风格的车型。同时激光焊接较之电阻点焊具有更高的效率、更优异的性能、更小的材料消耗等优势。
伊盼励
图ｌ激光焊接取代电阻点焊
由于激光制造技术所具有的无与伦比的优势，在欧洲，几乎所有汽车制造厂在汽车研制开发和生产中都无一例外的大量采用激光加工。德国大众公司２００２年一次性就订购了２６０台４ｋＷ大功率ＹＡＧ激光器，主要用于车身的总装。德国博世（Ｂｏｓｃｈ）公司的生产线上总共安装了不同类别的大功率激光加工设备４００余台套，主要用于汽车零部件的加工。实际上，激光制造技术在汽车制造中应用的广度和深度已经成为汽车工业先进性的重要标志。
和发达国家相比，我国激光制造技术应用的水平和规模虽然还存在很大差距，但市场潜力巨大。中小功率焊接已在企业应用，形成了一批激光加工站，一些大型企业也建立了激光加工工位，如一汽轿车股份公司建立了汽车覆盖件的激光三维制造生产线（图２），新一代大“红旗”ＣＡ７４６０轿车仅用了ｌｌ套成形模具，所有覆盖件的切孔和修边均由激光切割来完成，节省模具几百套。同时，在我国，蒂森接缝公司与中人公司合资于２００２年在武汉建设了中国第一条激光拼焊板生产线，为德国汽车企业在中国的合资公司提供拼焊板（图３）。
图２“一汽”的激光三维加工样车生产工位
１．２航空工业
空中客车公司拥有３５年设计和建造飞机的历史，空客Ａ３８０将整体制造工艺向前推进了一大步，
是欧洲空中客车公司设计生产的运输力最大的民用
机械工程学报第４５卷第１０期
图３在武汉建立的激光车用集成拼焊板生产线
飞机，全机最高载客量为８４０人，面积多出４０％以上，机身重量减轻１８％，成本下降２１．４％～２４．３％。空客Ａ３８０之所以能大大减轻飞机重量，减少油耗排放，降低营运成本的主要原因就是采用激光焊接技术应用于飞机机身、机翼的内隔板与加强筋的全部连接（图４），取代原有的铆接工艺，被德国宇航界称为航空制造业中的一大技术革命。
图４飞机机身、机翼筋板与蒙皮
粘接、铆接和激光焊接结构对比
２钢铁行业中的绿色短流程制造技术
高速线材轧机被称为钢铁行业的“印钞机”。据统计，到２００４年底，中国的大型（年产量４５万ｔ以上）高速线材生产线发展到７７条，高速线材年产量为３７０５万ｔ，占当年国内线材产量的７５％。我国高速线材生产线以每年２～３条的速度增加，已成为拥有高速线材生产线最多、产量最高的国家。高速线材行业消耗量最大、价格昂贵的关键部件是硬质合金轧辊（辊环）。对于高速线材来说，线材的轧制温度为９００１１００℃，最终轧制速度为５０～１３０ｍ／ｓ，辊环工作时受到每秒高达３００次的交变外应力和热应力，辊环常出现热疲劳裂纹（表面龟裂）且磨损严重。传统的硬质合金辊环采用热等静压烧结技术生产，制造工艺流程相当复杂，工序较多，生产周期比较长，耗时耗能巨大。高速线材辊环在表面磨损量达到６～１０ｍｌＴｌ左右时就整体报废，造成了大量昂贵硬质合金材料的浪费，且钨的回收污染比较严重，费时、费力、耗能源。每年国内的高速线材行业花费大量外汇购买国外的硬质合金辊环。
我国是钢铁第一大国，．钢铁行业对国民经济发展起着重要的支撑作用，但同时又是能源、资源消耗和环境污染大户，对能否实现可持续发展战略有至关重要的影响。钢铁行业的进一步发展，须大力开发节省能源资源、减少环境污染、增加循环利用、实现环境友好的新一代钢铁生产工艺流程，实现冶金行业的绿色制造。
本文作者采用激光宽带熔覆制造辊环的方法替代传统粉末冶金硬质合金辊环，用激光熔覆成形的方式制造抗磨损能力及抗热疲劳性能优良的辊环。这项技术是在合金钢基体上熔覆硬质合金进行辊环的短流程制造，可以将传统的粉末冶金制造工艺过程大大简化，制造所用设备数量显著减少，可以节省大量贵重金属材料，明显缩短辊环生产周期，降低生产成本，是一项绿色环保的短流程制造技术。
激光宽带熔覆制造高速线材辊环是采用同步送粉的方法，通过光束整形，得到长条形状的激光束（宽度小于ｌｍｉｌｌ，长度在７～３０ｍｍ可以调整），配置与激光束相应宽度的粉末束流，单道熔覆合金层宽度也在７～３０ｍｉｉｌ。该技术效率高，可以在普通合金钢制造的辊环基体外表面熔覆性能优异且与基体结合性能好的硬质合金材料（成形厚度达到１０ＩＩＩＩｌｌ以上，符合辊环的使用厚度），获得强韧性、耐磨性、抗热疲劳性较高的梯度合金材料，大大降低激光熔覆成形过程的内应力，降低材料开裂的倾向。用激光熔覆代替传统的热等静压烧结工艺，将特种、昂贵材料通过激光直接放在“刀刃”上，使有限的材料起到关键作用。激光熔覆能够实现涂层与基体有效的冶金结合，在过渡区获得梯度材料，并能实现很高厚度的熔覆成形。材料韧性和强度的提高，增强了材料耐热疲劳、抗冲击性能，可减小辊环表面龟裂现象及涂层脱落现象。成功解决了粉末材料配方、熔覆裂纹的研究及控制、轧辊熔覆及应力状态分析等多项工艺、技术和机理方面的问题；自主研制了新型光子能量分布积分镜（图５）和高功率激光宽带熔覆用侧向送粉喷嘴。２００６年３月在江苏锡钢集团成功完成了第一次中试试验，这在国内
外尚属首次（图６）。
２００９年１０月左铁钏等：２ｌ世纪的绿色制造——激光制造技术及应用
原始激光束变换后聚焦激光束
图５自主研制的光子能量分布积分镜
图６中试现场（左）和使用后轧辊（右）
３新型激光器
激光制造系统由激光源、传输与聚焦系统、运动与控制系统、传感与检测系统的组成，其核心是光的产生、传播和控制。其中，激光的能量或功率、光束质量以及对光控制的稳定性是衡量激光制造系统的标准。激光能量或功率表征激光制造系统加工能力的可能性；光束质量直接限定了可能实现的加工方法、可能传输的距离、可能获得的焦斑尺寸，以及最终可以获得加工质量；对光的控制是实现产业化应用的条件，这三者是激光制造系统的整体要求，激光这把“刀”的质量，既是工业应用的“金钢钻”，也是激光制造系统发展、进步的重要标志。这正是激光制造系统与通信激光、医疗激光和军用激光系统的明显区别。
大功率激光器是激光制造系统中核心组成部分之一。随着激光制造技术的应用越来越广泛，为了满足不同的应用需要，大功率激光器也在不断发展，出现了多种新型的大功率激光器，同样，大功率激光器的发展反过来又刺激着激光制造技术的不断改进和深入。
３．１大功率半导体激光器
半导体激光器最早被用作光纤通信中的光（信号）发射器、条形码阅读器和光盘刻录器等方面。如今，半导体激光器不仅传送比特信息也能传送光能量，人们正在逐步认识到半导体激光器在材料加工领域、印刷和图表技术领域、显示及医学领域的潜
在应用价值，直接用于材料加工的大功率半导体激光器的发展越来越受到人们的关注。与大功率Ｃ０２激光器和固体激光器相比，大功率半导体激光器具有体积小、波长短、效率高、与光纤的良好耦合、易于调制等优良特性。
大功率半导体激光器的出现改变了激光器的基本结构，因为半导体装置已经成为新一代激光系统的关键，并在应用领域与气体激光器、灯泵浦固体激光器竞争。目前，各种大功率半导体激光器不断被引入到工业制造中，因为它体积更紧凑、容易水冷、光电转化效率超过５０％，这几乎超出现在所能提供的其他类型激光器光电转换效率的５倍，而且在价格方面也变得越来越吸引人，因此引起许多工业国家的重视，并都已开展了大功率半导体激光器的研发计划，研究如何提高激光器的输出功率、亮度、寿命，以及如何改善半导体激光器输出的光束质量，提供可靠的高亮度半导体激光器封装技术和装配结构，从而实现一种全新的全固态激光系统。
图７所示为我们研制成功的ｌｋＷ半导体激光器及其在铝塑复合管生产线上的应用。
图７ｌｋＷ半导体激光器在铝塑
复合管生产线上的应用
３．２光纤激光器
光纤激光器提供了克服固体激光器在维持光束质量时标定输出功率限制的可能性。最终的激
光光束质量取决于光纤折射率剖面和激活波导的数
21世纪的绿色制造——激光制造技术及应用
作者：左铁钏， 陈虹， ZUO Tiechuan， CHEN Hong
作者单位：国家产学研激光技术中心,北京,100124;北京工业大学激光工程研究院,北京,100124
刊名：
机械工程学报
英文刊名：JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
年，卷(期)：2009,45(10)
被引用次数：11次
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本文链接：https://www.360docs.net/doc/4c18825869.html,/Periodical_jxgcxb200910017.aspx