機床商務網技術文章
激光技術在汽車制造中的應用
閱讀：523 發布時間：2022-9-18
激光技術是一種高能密度的技術，該技術具有無污染、高效、靈活易于實現自動化操作及優異的處理層性能等優點。近年來，激光技術在國外軍事工業上的應用越來越廣泛。美國、日本、德國、俄羅斯、英國等國對該項技術十分重視，并且已廣泛應用于戰斗機、武備、艦船等領域，如各種復雜型面、微型構件、耐磨構件、耐熱構件、及破損件的修補等。
近年來，行業在激光加工技術領域集研究開發和應用于一體，先后開展了激光淬火、激光修復、激光合金化制備耐蝕耐磨層及各種材料的激光焊接和技術研究。
激光淬火
激光淬火是應用泛的激光熱處理技術。這是一種表面局部淬火的新工藝，具有較多的特點和優勢，該技術能夠處理鈦合金、鋁合金、合金鋼和碳鋼等材料。近年來國外業對該技術的研究主要集中在飛行器、傳動構件、發動機關鍵件及炮管內壁的表面強化。
激光淬火比常規淬火硬度高出20%以上，GCr15、T10和高速鋼等均可得到HV1000以上的硬度。MK10制導火箭發射系統點火區的阻斷凸輪，采用AⅡ4340鋼，用1.2KW激光表面處理代替原來的氮化處理，硬度由原來55HRC提高到62HRC。而在鈦葉片的處理中，激光淬火后的硬度提高了75%-125%。德國萊茵工業公司研究了激光相變硬化炮管線膛的新工藝方法，可硬化靠近炮口端的半膛，可獲得0.3-0.5mm硬化深度，表面硬度至少為HV650，解決了因炮口端陽過量磨損而影響射彈外彈道飛行性能的問題。
例如，某型汽車模具僅能沖壓300件便需要停機進行修復，然而，采用激光淬火技術對其進行強化后，能夠將鑄鐵模具的硬度由原來HRC45提高至HRC55，使用壽命提高至35,000件，壽命提高100倍以上。
激光熔覆技術
激光熔覆技術，是通過高能密度的激光束輻照作用，使預置的添加材料熔化在基材表面形成牢固的涂覆層，從而*改變材料表面性能的技術。
據1997年的有關文獻報道，加拿大埃德蒙頓激光所在AI6I4340鋼和試樣上激光包覆各種耐燒蝕、耐磨損涂層。研究表明，純鉬和Ta-10W合金涂層有望用作炮管內膛涂層。模擬發射試驗表明，涂層使用壽命延長了60%。美國 Textron L ycoming Stratford Div對裝配BAe1 46直升機的 AL F50 2 R-5渦輪發動機第四級葉片阻尼面，也采用激光熔覆涂層強化處理。
激光熔覆的另一個應用方面是，對工件局部損壞區域的修復，修復后的工件大部分與原工件性能相當，甚至超過原工件的使用壽命。在美國俄克拉馬州 Tinker空軍基地的后勤維修中心，每年要有約1200臺發動機進行大修，其中葉片修復的成本費用平均值僅為更新葉片費用的20%，僅葉片修復一項每年可獲得若干億美元的效益，美國NASA Marshell航天中心對渦輪葉片的修復和強化進行了研究，使用激光表面熔覆的方法對磨損部位進行修復后，覆層組織致密均勻、無氣孔，與原材料為冶金結合。覆層厚度達0.6mm以上，試飛60小時后，發動機性能良好。不但節約了成本而且縮短了加工周期，具有顯著的經濟效益。
近十幾年來，中國的熔覆技術得到了迅速發展，但目前的研究成果大多處于實驗室階段，尤其是在方面的應用較少。近年來，中國兵器工業新技術推廣研究所在產品修復做了大量工作，部分修復案例包括：
● 旋壓模具修復
該俄羅斯進口的旋壓模具為某型XX殼體制造模具，使用過程中局部磨損1mm，采用電火花沉積與激光熔覆復合修復技術在保證修復層組織致密的前提下，獲得了較高的結合力與表面硬度。至今使用6年，性能依然優良。
火箭旋壓模修復
● 船用柴油機活塞修復
激光修復鑄鐵零件容易出現裂紋、氣孔等缺陷。對此，通過研制一種專用于鑄鐵材料修復的激光熔覆粉末，該粉末硬度為HRC30，可用于激光修復鑄鐵零件，也可用于鑄鐵熔覆過渡層。該鑄鐵活塞材料為QT500，由于位置比較特殊，修復難度較大，修復厚度為3mm。
激光合金化
激光合金化技術是在高能激光束的輻照下，得到不同于預置材料和基體材料的合金化層的技術。其處理過程具有效率高，耗能少，變形小等特點。目前，激光表面合金化的研究十分活躍，在國外軍事工業上的應用非常廣泛。
瑞典國防研究局在對飛機排氣口材料TIMEAL 21s鈦合金的研制過程中，采用氮氣氣氛下用CO2激光掃描，使鈦合金表面熔化，獲得40μm的氮化鈦合金涂層，該涂層具有很高的耐磨蝕、耐高溫性能，顯著提高了使用壽命。
某鋼廠粗軋輥使用壽命為15天，采用激光合金化技術對其進行表面強化，壽命提高至35天。并進一步對達到使用壽命的軋輥進行激光熔覆修復使其恢復尺寸，壽命提高至40天。該軋輥采用激光納米合金化工藝，通過添加合金及陶瓷元素，大幅提高了軋輥表面耐磨性能，使其過鋼量由原來的2.5萬噸提高至5萬噸。
激光焊接技術
激光焊接過程屬于熱傳導焊接，高功率激光器的工業應用開辟了激光焊接新領域，獲得了以小孔效應為理論基礎的深熔焊接，在機械、汽車、鋼鐵等領域獲得廣泛的應用。激光焊接具有以下優點：
● 激光能量密度大，焊接深寬比大、材料變形小；
● 可焊接難熔材料和異種材料；
● 可進行薄壁焊、精密焊；
● 激光焊接對焊縫有凈化效應，焊縫質量接近或高于母體；
● 不需要填充材料，焊接表面質量優異。
在激光焊接方面，先后對某型發動機進氣道唇口、飛機電器殼體組件、艦載飛機導線接頭、飛機發動機電嘴導線、電嘴殼體等實施了焊接，并形成批量化產品，獲得了的軍事效益。
激光技術作為一種新穎的手段在國外的應用日益廣泛，在軍事工業的應用已顯著促進了該技術的進一步發展，目前國外激光技術已逐步應用于航空、航天、武備等的制造之中，并產生了良好的軍事價值和經濟效益。另外，針對的基礎研究工作也已普遍展開，但很多研究工作于實驗室階段。
近年來，行業在激光加工技術領域集研究開發和應用于一體，先后開展了激光淬火、激光修復、激光合金化制備耐蝕耐磨層及各種材料的激光焊接和技術研究。
激光淬火
激光淬火是應用泛的激光熱處理技術。這是一種表面局部淬火的新工藝，具有較多的特點和優勢，該技術能夠處理鈦合金、鋁合金、合金鋼和碳鋼等材料。近年來國外業對該技術的研究主要集中在飛行器、傳動構件、發動機關鍵件及炮管內壁的表面強化。
激光淬火比常規淬火硬度高出20%以上，GCr15、T10和高速鋼等均可得到HV1000以上的硬度。MK10制導火箭發射系統點火區的阻斷凸輪，采用AⅡ4340鋼，用1.2KW激光表面處理代替原來的氮化處理，硬度由原來55HRC提高到62HRC。而在鈦葉片的處理中，激光淬火后的硬度提高了75%-125%。德國萊茵工業公司研究了激光相變硬化炮管線膛的新工藝方法，可硬化靠近炮口端的半膛，可獲得0.3-0.5mm硬化深度，表面硬度至少為HV650，解決了因炮口端陽過量磨損而影響射彈外彈道飛行性能的問題。
例如，某型汽車模具僅能沖壓300件便需要停機進行修復，然而，采用激光淬火技術對其進行強化后，能夠將鑄鐵模具的硬度由原來HRC45提高至HRC55，使用壽命提高至35,000件，壽命提高100倍以上。
激光熔覆技術
激光熔覆技術，是通過高能密度的激光束輻照作用，使預置的添加材料熔化在基材表面形成牢固的涂覆層，從而*改變材料表面性能的技術。
據1997年的有關文獻報道，加拿大埃德蒙頓激光所在AI6I4340鋼和試樣上激光包覆各種耐燒蝕、耐磨損涂層。研究表明，純鉬和Ta-10W合金涂層有望用作炮管內膛涂層。模擬發射試驗表明，涂層使用壽命延長了60%。美國 Textron L ycoming Stratford Div對裝配BAe1 46直升機的 AL F50 2 R-5渦輪發動機第四級葉片阻尼面，也采用激光熔覆涂層強化處理。
激光熔覆的另一個應用方面是，對工件局部損壞區域的修復，修復后的工件大部分與原工件性能相當，甚至超過原工件的使用壽命。在美國俄克拉馬州 Tinker空軍基地的后勤維修中心，每年要有約1200臺發動機進行大修，其中葉片修復的成本費用平均值僅為更新葉片費用的20%，僅葉片修復一項每年可獲得若干億美元的效益，美國NASA Marshell航天中心對渦輪葉片的修復和強化進行了研究，使用激光表面熔覆的方法對磨損部位進行修復后，覆層組織致密均勻、無氣孔，與原材料為冶金結合。覆層厚度達0.6mm以上，試飛60小時后，發動機性能良好。不但節約了成本而且縮短了加工周期，具有顯著的經濟效益。
近十幾年來，中國的熔覆技術得到了迅速發展，但目前的研究成果大多處于實驗室階段，尤其是在方面的應用較少。近年來，中國兵器工業新技術推廣研究所在產品修復做了大量工作，部分修復案例包括：● 旋壓模具修復
該俄羅斯進口的旋壓模具為某型XX殼體制造模具，使用過程中局部磨損1mm，采用電火花沉積與激光熔覆復合修復技術在保證修復層組織致密的前提下，獲得了較高的結合力與表面硬度。至今使用6年，性能依然優良。
火箭旋壓模修復
● 船用柴油機活塞修復
激光修復鑄鐵零件容易出現裂紋、氣孔等缺陷。對此，通過研制一種專用于鑄鐵材料修復的激光熔覆粉末，該粉末硬度為HRC30，可用于激光修復鑄鐵零件，也可用于鑄鐵熔覆過渡層。該鑄鐵活塞材料為QT500，由于位置比較特殊，修復難度較大，修復厚度為3mm。
激光合金化
激光合金化技術是在高能激光束的輻照下，得到不同于預置材料和基體材料的合金化層的技術。其處理過程具有效率高，耗能少，變形小等特點。目前，激光表面合金化的研究十分活躍，在國外軍事工業上的應用非常廣泛。
瑞典國防研究局在對飛機排氣口材料TIMEAL 21s鈦合金的研制過程中，采用氮氣氣氛下用CO2激光掃描，使鈦合金表面熔化，獲得40μm的氮化鈦合金涂層，該涂層具有很高的耐磨蝕、耐高溫性能，顯著提高了使用壽命。
某鋼廠粗軋輥使用壽命為15天，采用激光合金化技術對其進行表面強化，壽命提高至35天。并進一步對達到使用壽命的軋輥進行激光熔覆修復使其恢復尺寸，壽命提高至40天。該軋輥采用激光納米合金化工藝，通過添加合金及陶瓷元素，大幅提高了軋輥表面耐磨性能，使其過鋼量由原來的2.5萬噸提高至5萬噸。
激光焊接技術
激光焊接過程屬于熱傳導焊接，高功率激光器的工業應用開辟了激光焊接新領域，獲得了以小孔效應為理論基礎的深熔焊接，在機械、汽車、鋼鐵等領域獲得廣泛的應用。激光焊接具有以下優點：
● 激光能量密度大，焊接深寬比大、材料變形小；
● 可焊接難熔材料和異種材料；
● 可進行薄壁焊、精密焊；
● 激光焊接對焊縫有凈化效應，焊縫質量接近或高于母體；
● 不需要填充材料，焊接表面質量優異。
在激光焊接方面，先后對某型發動機進氣道唇口、飛機電器殼體組件、艦載飛機導線接頭、飛機發動機電嘴導線、電嘴殼體等實施了焊接，并形成批量化產品，獲得了的軍事效益。
激光技術作為一種新穎的手段在國外的應用日益廣泛，在軍事工業的應用已顯著促進了該技術的進一步發展，目前國外激光技術已逐步應用于航空、航天、武備等的制造之中，并產生了良好的軍事價值和經濟效益。另外，針對的基礎研究工作也已普遍展開，但很多研究工作于實驗室階段。