摘要：本文介紹了激光在表面處理及三維建模中的幾個典型應(yīng)用，激光熱處理技術(shù)解決了其它表面處理方法無法解決或不好解決的材料強(qiáng)化問題，激光三維建模技術(shù)有效地解決了無人自動化生產(chǎn)線上元件三維信息的獲取問題，另外，激光在智能識別、快速成型、焊接、熔覆涂層、微加工中也得到了廣泛的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：激光應(yīng)用、激光表面熱處理、激光焊接、激光熔覆涂層、三維建模、智能識別、快速成型、 微加工。 Key words: laser; three-dimensional modeling; heat treatment; intelligenti dentification; rapid-process modeling; jointing; fusing coat; micro process 1．前言 激光技術(shù)在信息領(lǐng)域、制造業(yè)(電子、半導(dǎo)體、機(jī)械、汽車、飛機(jī)等制造行業(yè))、軍事領(lǐng)域、智能化識別及醫(yī)療儀器等方面都具有重要應(yīng)用，特別是激光微細(xì)加工向普通的微機(jī)械加工提出了巨大的挑戰(zhàn)。 隨著激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和市場的不斷擴(kuò)大，光制造技術(shù)將在所有制造領(lǐng)域內(nèi)取代傳統(tǒng)的機(jī)械制造，激光微制造技術(shù)使微精密元件成為可能，并使微系統(tǒng)朝著多樣化和智能化方向發(fā)展，最終在汽車、醫(yī)療和環(huán)保領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，在國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)發(fā)展中起著日益重要的作用。下面對激光在機(jī)械制造中的典型應(yīng)用的核心內(nèi)容予以介紹。 2. 激光在熱處理方面的應(yīng)用 激光熱處理技術(shù)是近二十年來發(fā)展起來的一種新形材料表面處理技術(shù)，近些 年來，大功率激光器和輔助設(shè)備的制造技術(shù)日益提高，各種表面處理技術(shù)日益成熟，使得激光熱處理技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用和深入研究異常活躍。 激光熱處理技術(shù)的原理基于激光的穿透能力極強(qiáng)，當(dāng)把金屬表面加熱到僅低于熔點(diǎn)的臨界轉(zhuǎn)變溫度時，其表面迅速奧氏體化，然后急速自冷淬火，金屬表面迅速被強(qiáng)化，即激光相變硬化。 激光熱處理技術(shù)可以解決其它表面處理方法無法解決或不好解決的材料強(qiáng)化問題。經(jīng)過激光處理后，鑄層表層強(qiáng)度可達(dá)HRC60度以上，中碳及高碳鋼，合金鋼的表層硬度可達(dá)HRC70度以上，從而提高其抗磨損、抗疲勞、耐腐蝕、防氧化等性能，延長其使用壽命。 3．激光在焊接方面的應(yīng)用 激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一，該技術(shù)具有熱影響區(qū)窄，焊縫小，大氣壓力下進(jìn)行不要求保護(hù)氣氛，不產(chǎn)生X射線，在磁場內(nèi)不會出現(xiàn)束偏移等特點(diǎn)，又加之其焊速快、與工件無機(jī)械接觸、可焊接磁性材料，尤其可焊高熔點(diǎn)的材料和異種金屬，并且不需要添加材料，因此很快在電子行業(yè)中實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。國外利用固體YAG激光器進(jìn)行縫焊和點(diǎn)焊，已有很高的水平。另外，用激光焊接印刷電路的引出線，不需要使用焊劑，并可減少熱沖擊，對電路管芯無影響。日本自九十年代以來，在電子行業(yè)的精密焊接方面已實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)焊向激光焊接的轉(zhuǎn)變。目前，激光深熔焊接在粉末冶金材料加工領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越多。 總之，與普通焊接方法相比，激光深熔焊接具有焊接速度快、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)和熱變形? ⒑阜燁慷雀摺⒁子謔迪腫遠(yuǎn)扔諾悖虼嗽詮ひ抵械玫焦惴河τ謾? 4．激光在熔覆涂層方面的應(yīng)用 激光熔覆又稱激光包覆或激光熔敷，是一種新的表面改性技術(shù)，它通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝，在基材表面形成與冶合金結(jié)合的填料熔覆層。 由于激光熔覆可將高熔點(diǎn)的的材料熔覆在低熔點(diǎn)的基材表面，而且材料的成分亦不受通常的冶合金熱力學(xué)條件的限制，因此所采用的熔覆材料的范圍是相當(dāng)廣泛的，包括鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化物復(fù)合合金材料以及陶瓷材料等，其中合金材料和碳化物復(fù)合材料的激光熔覆較為成熟，并已獲得實(shí)際應(yīng)用。又由于激光束的高能密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱過程，激光熔覆對基材的熱影響較小，引起的變形也較? ？刂萍す獾氖淙肽芰浚箍梢越牡南∈妥饔孟拗圃詡偷某潭齲ㄒ話鬮?%-8%），從而又保持了原熔覆材料的優(yōu)異性能。 因此該技術(shù)以提高材料表面的耐磨、耐蝕等性能為目的，主要用于大型貴重零件磨損后的修復(fù)及增強(qiáng)新制造的零件性能。 5.激光在微細(xì)加工中的應(yīng)用 90年代初，隨著微機(jī)械制造技術(shù)和微型機(jī)電系統(tǒng)MEMS（Micro Electric Mechanical System）的研究與應(yīng)用，激光加工的新興分支，“激光微加工”正在蓬勃的興起。激光微加工一般是指特征尺寸小于100μm的加工，是微機(jī)械制造的一種主要加工技術(shù)。 激光加工的實(shí)質(zhì)是激光將能量傳遞給被加工材料，被加工材料發(fā)生物理或化學(xué)變化，使其達(dá)到加工的目的。激光微細(xì)加工工藝既能加工出較為復(fù)雜的微型結(jié)構(gòu)，且所要求的條件又不像異性刻蝕和LIGA技術(shù)那么苛刻，在實(shí)驗(yàn)室和工廠較容易實(shí)現(xiàn)，又由于激光具有高時間及高空間分辨率，使之有可能在需要高精密加工的場合（如電子、半導(dǎo)體、通訊等行業(yè)）得到進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，所以激光微細(xì)加工向普通微機(jī)械加工提出了巨大的挑戰(zhàn)。 6.激光在物體三維建模及智能識別方面的應(yīng)用 現(xiàn)代化高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中，無人化生產(chǎn)線（簡稱Line）上的元件，諸如電子元件、電子插接件、金屬零件及非金屬零件，特別是一些具有放射性或有毒的元器件，通常需要對其進(jìn)行在線實(shí)時動態(tài)識別或檢測、判定其形狀、狀態(tài)、精度。利用激光及動態(tài)定位技術(shù)則可以很容易的實(shí)現(xiàn)以上功能。 激光三維信息的采集方式是利用激光照射掃描Line元件，通過兩個以上攝象機(jī)配之以瞬時動態(tài)定位系統(tǒng)，按Line元器件特點(diǎn)，采用特征識別模式方法建立編制智能識別軟件，利用模糊數(shù)學(xué)原理編制數(shù)據(jù)處理及建模，編輯智能示教軟件，根據(jù)Line元件形狀復(fù)雜程度，相應(yīng)增加攝象機(jī)及激光掃描器的數(shù)量，最終實(shí)現(xiàn)激光動態(tài)識別Line元件的形狀及狀態(tài)。 Line元件的瞬時動態(tài)定位原理，在Line上設(shè)定識別區(qū)，當(dāng)元件運(yùn)行進(jìn)入識別區(qū)時瞬間發(fā)指令，激光器開始掃描采集元件的形狀信息，優(yōu)先遴選元件的基本定位特征數(shù)據(jù)及尺寸，確定瞬間定位“線”或“面”，最有效的選法是以Line元件的外廓的最長線作為定位線，以Line元件的外廓的最大面積作為定位面，以此作為二次瞬時采樣時的定位基準(zhǔn)，為元件的三維形狀及狀態(tài)的動態(tài)在線采集與識別提供了前提條件。 激光掃描物點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型，有效地解決了Line元件三維信息獲取問題。瞬時動態(tài)定位方法的應(yīng)用，較好的實(shí)現(xiàn)了Line元件的動態(tài)在線采集與識別。特征識別模式的建立，為Line元件形狀及狀態(tài)的視覺識別提供了新途徑，它使識別軟件容易實(shí)現(xiàn)而成為實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)。 7．激光在快速成型制造技術(shù)中的應(yīng)用 快速成型是制造技術(shù)的一次飛躍，以其特有的快捷性，敏捷性和低成本等特點(diǎn)迅速推廣開來，已在工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 激光選區(qū)燒結(jié)是快速成型制造中的重要工藝方法之一。該技術(shù)采用逐層材料添加的原理，首先對三維實(shí)體模型進(jìn)行切片分區(qū)處理生成激光燒結(jié)的掃描路徑，然后通過X-Y激光掃描儀使激光束沿掃描路徑掃描，逐層燒結(jié)固化固體粉末材料，如塑料粉，尼龍粉，蠟，陶瓷或金屬與粘結(jié)劑的混合粉，金屬粉等經(jīng)過預(yù)熱，經(jīng)層層疊加后，最終形成所需的三維工件。 這種制造方法具有成型速度快、精度高、表面質(zhì)量好、后置處理簡單、省時等特點(diǎn)，是一個具有生命力的技術(shù)，為制造技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了一個新方法。 8．結(jié)論 激光熱處理技術(shù)解決了其它表面處理方法無法解決或不好解決的材料強(qiáng)化問題，激光三維建模技術(shù)有效地解決了無人自動化生產(chǎn)線上元件三維信息的獲取問題，另外，激光在智能識別、快速成型、焊接、熔覆涂層、微加工中也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和市場的不斷擴(kuò)大，激光技術(shù)必將在更寬更廣的領(lǐng)域中得到更充分的應(yīng)用。 作者單位： 1(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津 300130) 2(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院 激光與光電子研究所光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室. 天津 300072)