目前,用于激光加工的工业激光器主要有两大类:固体激光器和气体激光器。其中,固体激光器以Nd:YAG激光器为代表;而气体激光器则以CO2激光器为代表。随着激光技术的发展,目前人们也开始在某些加工应用场合使用大功率光纤激光器和大功率半导体激光器。1) Nd:YAG激光器;2) CO2激光器
1) 激光间接成模工艺。① 立体光造形(Stereo Lithography Apparatus,简称SLA)工艺是利用紫外激光束逐层扫描光固化胶的方法形成三维实体工件的。1986年美国3D Systems公司推出了商品化样机SLA-1。SLA工艺的最高加工精度能达到0.05mm。②薄层叠片制造(Laminated Object Manufacturing,简称LOM)工艺采用薄片材料,如纸、塑料薄膜等,由美国Helisys公司于1986年研制成功。通过反复CO2激光器切 割和材料粘贴,得到分层制造的实体工件。LOM工艺的特点是适合制造大型工件,其精度达到0.1mm。③选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,简称SLS)工艺是利用粉末状材料成形的,由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的于1989年研制成功,通过用高强度的CO2激光器逐层有 选择地扫描烧结材料粉末而形成三维工件,SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛。
用上述激光间接成模工艺制作模具,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。但是,目前还存在着模具寿命相对较短的缺点,所以上述激光间接成形模具较适合于小批量生产。
2) 激光直接成模工艺。选择性激光熔化(Selective Laser Melting,简称SLM)技术是在选择性激光烧结(SLS)技术的基础上发展起来的。SLM的特点为:(1)使用高功率密度,小光斑的激光束加工金 属,使得金属零件具有0.1毫米的尺寸精度;(2)熔化金属制造出来的零件具有冶金结合的实体,相对密度几乎能达到100%,大大改善了金属零件的性能; (3)由于激光光斑直径很小,因此能以较低的功率熔化高熔点的金属,使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能。图2所示为德国EOS GmbH公司利用选择性激光熔化(SLM)工艺制造的全金属零件。
激光多层(或称三维/立体)熔覆直接快速成形技术是在快速原型技术的基础上结合同步送料激光熔覆技术所发展起来的一项 高新制造技术,其实质是计算机控制下的三维激光熔覆。由于激光熔覆的快速凝固特征,所制造出的金属零件具有均匀细密的枝晶组织和优良的质量,其密度和性能 与常规金属零件相当。激光多层熔覆发展出了多种方法,其中最具代表性的是美国Sandia国家实验室(Sandia National Laboratories)研发的称作激光工程化净成形技术(Laser Engineered Net Shaping,简称LENS)的金属件快速成形技术。采用该方法已成功制造了不锈钢,马氏体时效钢,镍基高温合金,工具钢,钛合金,磁性材料以及镍铝金 属间化合物工件,零件致密度达到近乎100%。图3为美国Sandia国家实验室以LENS技术制造的金属模具。
模具表面处理一直是机械加工领域中所重视的问题。随着新技术新工艺的发展,有许多传统的处理方式已不太适用。对形状复杂的模具,最理想的表面处理方式是用激光进行,它几乎不变形,表面硬度比常规处理方式的硬度高,并且更耐磨,使用寿命更长。1) 激光相变硬化。2) 激光冲击强化。3) 激光合金化和激光熔覆
模具的失效事实上均因其表层局部材料磨损等原因而报废,而且金属模具的加工周期长、加工费用高。模具使用寿命取决于抗 磨损和抗机械损伤能力,一旦磨损过度或机械损伤,须经修复才能恢复使用。目前常采用的维修技术有电镀、堆焊和热喷涂等。电镀层较薄,而且与基体结合差,形 状损坏部位难于修复;在堆焊、喷涂时,热量注入大,模具热影响区大。而应用激光进行模具维修,由于激光束的高能量密度所产生的近似绝热的快速加热,对基体 的热影响较小,引起的畸变可以忽略。模具的激光修复可采用的方法主要有两种:1) 激光熔覆模具修复。2) 激光沉积焊接模具修复
应用高能激光脉冲去除模具在使用过程中产生的表面污物是激光技术在模具行业中的又一用途。其清洗机理有两个:一是直接 利用激光加热污物,使之气化挥发、或瞬间受热膨胀并被蒸汽带离模具基体表面;还有就是在高能量密度、高频率的脉冲激光作用下,污物层内产生分裂应力,而与 模具基体脱离。与传统的喷沙清洗方法相比,激光清洗具有清洗速度快、不损伤模具表面、在线清洗(可节约大量拆卸、安装、调试时间)的优点。目前,德国 JET激光系统公司生产的激光清洗设备相对较为先进。