特种加工技术

1特种加工技术概论摘要：一般认为，现代材料科学与工程由四个基本要素组成,即材料的制备与加工、成分组织、材料性能、服役行为和寿命[1]。材料的制备与加工工艺，与材料的成分和组织、材料的性能一起，构成决定材料服役行为和寿命的最基本的三大要素，也充分反映了材料制备与加工技术的重要作用和地位。关于材料的制备、成形与加工技术的研究和开发材料是科学技术中最活跃的领域之一，而材料先进成型技术是目前材料科学技术中最活跃的领域之一。材料先进制备、成形与加工技术的发展，既对新材料的研究开发、应用和产业化具有决定性的作用，同时也可有效地改进和提高传统材料的使用性能对传统材料产业的更新改造具有重要作用。发展材料先进制备、成形与加工技术，对于提高综合国力，保障国家安全，改善人民生活质量，促进材料科学技术自身的进步与发展具有重要作用，也是国民经济和社会可持续发展的重大需求。随着各种高新技术的不断进步，向材料成型和加工方法提出了更高的要求，想要制造一种零件使之满足各种高水平的综合指标，从传统材料成型方法出发是非常困难的，常常顾此失彼，即使花费很多的时间和很大的精力得到某种符合要求的零件也需要很长的周期。随着现代工业和技术的发展，材料成型方面的新技术、新工艺不断涌现，从而解决了上述难题，并得到了广泛推广。传统上材料加工技术主要包括焊接技术、铸造技术、压力加工技术三个方面[2]，本文对近年来出现的特种加工技术，主要是特种焊接技术，特种铸造技术，特种压力加工进行总结，从各类特种加工技术的原理、分类、应用方面作简要的概述，并对当前材料加工技术的发展趋势与方向作简要介绍。关键词：材料加工，特种焊接，特种铸造，特种压力加工2一、特种焊接技术1、激光焊激光焊（LaserWelding）是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密的焊接方法[3]。随着航空航天、微电子、医疗及核工业等的迅猛发展，对材料性能要求越来越高，传统的焊接方法难以满足要求，激光焊日益得到广泛应用。激光焊具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点而受到各发达国家的重视。激光焊对于一些特殊材料及结构的焊接具有非常重要的作用，这种焊接方法在航空航天、电子、汽车制造、核动力等高新技术领域中得到应用，并日益受到工业发达国家的重视[4]。1.1激光焊的原理激光焊接时，激光照射到被焊接材料的表面，与其发生作用，一部分被反射，一部分进入材料内部。对于不透明材料，透射光被吸收，金属的线性吸收系数约为107～108ｍ－１。对于金属，激光在金属表面0.01～0.1μｍ的厚度中被吸收转变成热能，导致金属表面温度升高，再传向金属内部[5]。光子轰击金属表面形成蒸气，蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动，使光子的辐射能变成了电子的动能。物质吸收激光后，首先产生的是某些质点的过量能量，如自由电子的动能，束缚电子的激发能或者还有过量的声子,这些原始激发能经过一定过程再转化为热能[6]。激光除了与其他光源一样是一种电磁波外，还具有其他光源不具备的特性，如高方向性、高亮度（光子强度）、高单色性和高相干性。激光加工时，材料吸收的光能向热能的转换是在极短的时间（约为10-9S）内完成的[7]。在这个时间内，热能仅仅局限于材料的激光辐照区，而后通过热传导，热量由高温区传向低温区。金属对激光的吸收，主要与激光波长、材料的性质、温度、表面状况以及激光功率密度等因素有关[8][9]。一般来说，金属对激光的吸收率随着温度的上升而增大，随电阻率的增加而增大。1.2激光焊的分类按激光聚焦后光斑作用在工件上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊（功3率密度小于105Ｗ／ｃｍ2）和深熔焊（锁孔焊）。（1）传热焊采用的激光光斑功率密度小于105Ｗ／ｃｍ2时，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间。焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，其熔深轮廓近似为半球形，这种焊接机理称为传热焊[10]。传热焊时，工件表面温度不超过材料的沸点，工件吸收的光能转变为热能后，通过热传导将工件熔化，熔池形状近似为半球形。传热焊的特点是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金属表面所反射，光的吸收率较低，焊接熔深浅，焊接速度慢。其主要用于薄（厚度＜1ｍｍ）、小工件的焊接加工。(2)深熔焊当激光光斑上的功率密度足够大时（≥106Ｗ／ｃｍ2），金属表面在激光束的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内（10-8～10-6ｓ）升高到沸点，使金属熔化和气化。产生的金属蒸气以一定的速度离开熔池，逸出的蒸气对熔化的液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个小凹坑。当光束在小孔底部继续加热时，所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加深[11]。另一方面，向坑外飞出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周，此过程连续进行下去，便在液态金属中形成一个细长的孔洞。当光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而进行焊接，因此称之为激光深熔焊（也称锁孔焊）。深熔焊的激光束可深入到焊件内部，因而形成深宽比较大的焊缝。如果激光功率足够大而材料相对较薄，激光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可以接收到部分激光，这种方法也可称之为薄板激光小孔效应焊[12]。从机理上看，这两种焊接方法的前提都是焊接时存在小孔，二者没有本质的区别。小孔周围为熔池金属所包围，熔化金属的重力及表面张力有使小孔弥合的趋势，而连续产生的金属蒸气则力图维持小孔的存在。随光束的运动，小孔将随着光束运动但其形状和尺寸却是稳定的。小孔的前方形成一个倾斜的烧蚀前沿。在这个区域，小孔的周围存在压力梯度和温度梯度。在压力梯度的作用下，烧熔材料绕小孔的周边由前沿向后沿流动。温度梯度沿小孔的周边建立了一个前面大4后面小的表面张力，这就进一步驱使熔融材料绕小孔周边由前沿向后沿流动，最后在小孔后方凝固起来形成焊缝。激光焊焊接时伴有声音和颜色的变化，可据此监控焊接过程[13]。1.3激光焊接在国外汽车工业中的应用目前，国外汽车工业已安装了2500多台激光器用于加工，仅美国通用汽车公司（GM）就安装了200台以上，日本丰田汽车公司1990年前后仅从一家激光公司就购买100台3～5kWCO2激光器。至今，国外各大汽车公司，如通用、福特、克莱斯勒–奔驰、丰田、大众、BMW、菲亚特等，已全部拥有自己的激光加工生产线，且激光器数量以每年20%的速度增长[14]。（1）白车身激光焊接汽车工业中的在线激光焊接大量用在白车身冲压零件的装配和连接上。主要应用包括车顶盖激光焊、行李箱盖激光钎焊及车架激光焊接。早期的车身激光焊接应用主要是车顶盖搭接焊，目的是为减噪和适应新的更安全的车身结构设计。Volvo公司是最早开发车顶激光焊接技术的厂家。德国大众公司也相继在AudiA6、Golf4、Passat等车顶采用了此技术，奔驰的C/S/E级车（C－219、S－W140、S－W220、E－W221等）、BMW公司的5系列、Opel公司的Vectra车型等更是趋之若鹜。严格地讲，当时的车顶焊还属于车身结构件激光焊接，即激光焊缝不能露在车身外表面。但随着车身件制造及装配精度的提高以及用于车身表面覆盖件连接的激光钎焊技术的出现，车顶盖激光焊接逐渐被激光钎焊所取代，车顶激光钎焊也成为可直接在车身表面实施连接的新技术（奔驰公司在C级车后立柱上采用了激光填丝焊接，也属于少数车身表面焊接技术之一）。目前德国大众汽车公司的车顶焊接几乎全部是激光钎焊，车型包括Golf5、新AudiA6、MAGOTAN等。车顶激光钎焊并不是最早和惟一的车身激光钎焊技术。实际上，激光钎焊于1998年最早用在大众公司生产的Bora车身覆盖件——行李箱盖的表面连接。至今行李箱盖激光钎焊已成为车身激光焊接的一个典型应用，广泛用在德系车上，近年来在一些美系车上也可看到。另一项比较重要的车身激光焊接应用，是车身结构件（包括车门、车身侧围框架及立柱等）的激光焊接。采用激光焊的原因是可提高车身强度，并可解决一些部位难以实施常规电阻点焊的难题。德国大众公5司在车身结构件激光焊接方面的应用走在世界前面。(2)不等厚激光拼焊板车身制造采用不等厚激光拼焊板可减轻车身重量、减少零件数量、提高安全可靠性及降低成本。此项应用最早源于1985年Audi100的底板拼焊，目前已推广到世界几乎各大汽车公司。采用激光拼焊板所带来的好处也显而易见。如某车型的侧围门内板采用三块板拼焊在一起，在原材料成本不增加的前提下，较采用单张普通板材单车可节省用材16kg，提高了材料利用率；如果在不影响整车强度及耐蚀性的前提下，根据需要将不同部位的材料做局部替换（如用裸板代替镀锌板或用薄钢板代替较厚板），然后激光拼焊到一起，单车可降成本13美元。激光拼焊板正在被世界各地的新车型所接受，激光拼焊板生产将成为一项数十亿美元的产业。(3)齿轮及传动部件焊接20世纪80年代末，克莱斯勒公司的Kokomo分公司购进九台6kWCO2激光器，用于齿轮激光焊接，生产能力提高40%。90年代初，美国三大汽车公司投入40多台激光器用于传动部件焊接。奔驰公司经研究利用激光焊接代替电子束焊接，因为前者焊缝热影响区小。美国福特汽车公司用4.7kWCO2激光器焊接车轮钢圈，钢圈厚1mm，焊接速度为2.5m/min。该公司还采用带有视觉系统的激光焊接机，将六根轴与锻压出来的齿轮焊在一起，成为轿车自动变速器的齿轮架部件，生产率为200件/h。意大利菲亚特公司用激光焊接汽车同步齿轮，费用只比老设备提高一倍，生产效率却提高5～7倍。美国阿符科公司研制的HPL工业用CO2激光焊接机功率为15kW，用于焊接汽车转动组件的两个齿轮，焊接时间为1S，每小时可焊1000多件。福特公司有20台5kWCO2激光焊机，通用公司有11台14kWCO2激光焊机专门用于汽车齿轮焊接。克莱斯勒公司也有10台69kWCO2激光焊机从事相同的工作。汽车自动变速器驻车棘轮的材料有淬火钢、奥氏体钢和特种合金等，通过激光焊接技术．可将这些不同成分的材料连接起来，而且无裂纹出现。1.4激光焊接技术用于汽车工业面临的主要问题（1）工艺参数优化众所周知，激光焊接具有多参数特点，通常情况下包括：激光波长、激光束6模式（或发散角）、激光功率、激光偏振特性、激光脉冲频率、聚焦镜焦距、激光照射角度、焊接速度、离焦量（或称焦点位置）、气体保护方式、保护气种类及流量、接头间隙等激光及加工参数，另外还包括焊接结构、焊接材料、工件厚度等工件特性和参数[15]；如果是激光填丝焊（或激光硬纤焊），激光焊接参数还应包括：焊丝直径、焊丝成分、填丝速度、填丝方向（与焊接方向的关系）、填丝位置（焊丝熔化端与工件和激光焦点之间的关系）、填丝角度；如果是激光复合焊还应包括除激光以外焊接热源（TIG、MIG或等离子源）的相关参数[16]。激光焊接多参数的特点给激光焊接带来丰富多彩的焊接结果，同时也给研究激光焊接带来很多可变因素和新的课题。无论在开环控制还是闭环控制下，激光焊接工艺参数优化或最佳工艺参数确定的难度和工作量都所增加。由于汽车工业要求用于大批量生产的各种生产工艺稳定、可靠且易于控制，因此，如何通过筛选和有效控制最少的激光参数来达到最大控制激光焊接结果的目的[17]，则显得非常重要。(2)先进工艺方法研究一辆汽车的车身和底盘由数百种以上的零件组成，采用激光焊接可以把很多不同厚度、牌号、种类、等级的材料焊接在一起，制成各种形状的零件，大大提高汽车设计的灵活性[18]。激光焊接汽车零件（特别是车身件）复杂性和多样性的特点，也为激光焊接新方法的不断涌现提供了动力和广阔的发展空间。自激光焊接首次用于汽车工业以来，除激光传导焊、激光深熔焊、激光硬纤焊、激光软纤焊外，又相继问世了激光