精密測量和加工中的激光技術(shù)

喬曉旭,羅怡,2,王曉東,2

(1.大連理工大學(xué) 遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點實驗室,遼寧 大連116024;2.大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點實驗室,遼寧 大連116024)

0 引言

1916年,愛因斯坦提出了“受激輻射”的概念,為激光的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。1958年,美國科學(xué)家Schawlow和Towens發(fā)現(xiàn)了激光現(xiàn)象,并提出激光原理,獲得了1964年諾貝爾物理學(xué)獎。1960年,世界上第一臺紅寶石激光器正式誕生。1964年,錢學(xué)森建議將LASER的中文名稱定為“激光”,完美解釋了激光的產(chǎn)生原理“將通過輻射受激發(fā)射的光放大”。此后,激光技術(shù)和應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展,與原子能、半導(dǎo)體、計算機并成為“二十世紀(jì)的四大發(fā)明”。

激光技術(shù)的應(yīng)用與激光的特性密不可分。激光具有方向性好的優(yōu)點,可精確測量直線度、同軸度等物理量;具有高相干性、高單色性的優(yōu)點,可精確測量長度、角度、速度、振動以及表面粗糙度等物理量;還具有普通光源達不到的高能量密度的優(yōu)點,可利用其對金屬及非金屬等材料進行精密加工。通常來說,激光的應(yīng)用不是這些性質(zhì)的單獨應(yīng)用,而是綜合利用。本文對激光技術(shù)在精密測量和精密加工領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行介紹,重點分析以激光干涉測量技術(shù)為主的激光精密測量技術(shù),在此基礎(chǔ)上總結(jié)并討論激光技術(shù)在精密測量和加工領(lǐng)域仍面臨的問題及未來的發(fā)展趨勢,為促進激光技術(shù)在精密測量和精密加工領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用提供參考。

1 激光技術(shù)在精密測量領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

激光測量技術(shù)在精密測量領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,可實現(xiàn)長距離、非破壞、高準(zhǔn)確度、非接觸的測量。激光測量技術(shù)可對長度、距離、位移、速度、角度、形變、振動、表面質(zhì)量等參數(shù)實現(xiàn)精準(zhǔn)的測量。目前在精密測量領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的激光測量技術(shù)主要有激光干涉測量技術(shù)、激光衍射測量技術(shù)、激光準(zhǔn)直測量技術(shù)、激光三角法測量技術(shù)、激光視覺三維測量技術(shù)、激光多普勒測量技術(shù)等。

1.1 激光干涉測量技術(shù)

激光干涉測量技術(shù)是以激光光波干涉原理為基礎(chǔ)的一種測量技術(shù)。激光干涉測量技術(shù)主要包括雙光束干涉測量、雙頻激光干涉測量、激光移相干涉測量、激光全息干涉測量、激光散斑干涉測量等多種干涉測量技術(shù)。

激光干涉測量技術(shù)是實現(xiàn)幾何量等參數(shù)高水準(zhǔn)精密測量的典型代表[2],其測量準(zhǔn)確度可達到納米量級,具有較高的靈敏度,可實現(xiàn)對長度、位移、角度、介質(zhì)折射率以及振動等參數(shù)的精密測量,應(yīng)用范圍十分廣泛。

楊曄等[3]采用基于長度可變真空腔的激光干涉測量技術(shù)對空氣折射率進行了測量,并提出了測量過程中的誤差檢測和補償方法。將實驗結(jié)果與Edlén公式進行對比表明,系統(tǒng)測量結(jié)果具有較好的一致性和準(zhǔn)確度。陳宇[4]基于條紋傅里葉變換法,對激光干涉測溫技術(shù)進行了研究。采用條紋傅里葉方法對激光干涉測量圖片進行處理和計算,獲取溫度分布情況。將激光干涉測溫的結(jié)果與其他測量結(jié)果進行對比,其相對誤差在7%以內(nèi)。Sun等[5]提出了一種基于調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)的新型接觸式激光干涉測量技術(shù),將非接觸式測量轉(zhuǎn)換為接觸式測量,具有準(zhǔn)確度高、量程大、抗電磁干擾等優(yōu)點,可以在生產(chǎn)線上實現(xiàn)對復(fù)雜表面條件工件的直接測量,突破了光學(xué)測量的局限性,拓展了激光干涉測量的應(yīng)用范圍。Dang等[6]設(shè)計了一種基于激光干涉法測量重力加速度的方案,并分析計算了測量過程中誤差的主要來源和大小。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)測量重力加速度的方法相比,激光干涉方法測量準(zhǔn)確度更高,可達到6×10-4g。He等[7]針對長距離高速激光干涉儀測量系統(tǒng),提出了一種結(jié)構(gòu)設(shè)計與閉環(huán)控制相結(jié)合的方法,以減少環(huán)境參數(shù)引起的測量誤差。實驗結(jié)果表明,該方法的溫度控制誤差小于0.01℃,壓力控制誤差小于1 Pa,可廣泛應(yīng)用于遠程超精密測量的微環(huán)境參數(shù)控制。Li等[8]研制了一種基于激光散斑干涉測量技術(shù)的表面形貌檢測系統(tǒng),如圖1所示,通過改進的基于最小二乘迭代的相位分布提取方法來處理振動效應(yīng)。將該系統(tǒng)測量的形貌結(jié)果與共聚焦顯微鏡測量的結(jié)果對比,相對誤差在20%以內(nèi),表明該方法具有良好的在線實時檢測前景。

圖1 環(huán)境存在振動時激光干涉測量系統(tǒng)原理圖[8]Fig.1 Schematic of laser interferometry system in vibration environment[8]

傳統(tǒng)激光干涉測量技術(shù)需要被測量表面具有高反射特性,或者需要通過安裝測量靶鏡來獲得高信噪比干涉信號,然而,在目前的許多超精密加工中無法安裝測量靶鏡,并且被測對象表面也不是高反射材料,限制了激光干涉測量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。為解決此類問題,Xu[9]等提出了一種基于微芯片激光反饋干涉法同時測量物體折射率和厚度的新方法。該方法將移頻激光反饋與共光路結(jié)構(gòu)相結(jié)合,消除了環(huán)境擾動對測量結(jié)果的影響,實現(xiàn)了相位測量中的環(huán)境魯棒性。對不同玻璃的測量結(jié)果表明,該方法折射率的測量不確定度優(yōu)于0.00002,厚度的測量不確定度優(yōu)于0.6 μm,具有較小的不確定度。

激光干涉測量技術(shù)在精密測量領(lǐng)域始終發(fā)揮著不可替代的作用。未來針對光刻機、超精密機床等領(lǐng)域的科學(xué)研究中,對測量準(zhǔn)確度的需求將從微納米量級提升至更高級別,如何實現(xiàn)更高的分辨力、更小的測量誤差,是激光干涉測量技術(shù)中亟需解決的問題。

1.2 激光衍射測量技術(shù)

衍射現(xiàn)象是指波在傳播過程中遇到障礙物而發(fā)生的偏離直線傳播方向的現(xiàn)象。由于激光的高單色性、高相干性等優(yōu)點,使得激光衍射測量技術(shù)可以利用激光衍射條紋的變化來精確測量長度、振動、角度以及輪廓。激光衍射測量技術(shù)具有非接觸、高準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于工業(yè)分析及醫(yī)藥檢測等精密測量領(lǐng)域。激光衍射測量方法主要有間隙測量法、反射衍射法、分離間隙法、互補測量法以及艾里斑測量法等。

潘林超[10]在激光衍射法測量粒度分布方面進行了深入的研究,總結(jié)了球形顆粒散射光斑(艾里斑)的產(chǎn)生機理,提出了一種基于環(huán)形樣品池的激光衍射測量方案,實現(xiàn)對亞微米級別顆粒的準(zhǔn)確測量。田園等[11]設(shè)計了一種基于激光衍射測量法的細圓柱直徑測量系統(tǒng),該系統(tǒng)基于Fraunhofer衍射理論和Babinet互補測量法,具有非接觸、測量速度快、測量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點,可用于在線檢測,其測量細圓柱衍射花樣圖如圖2所示。Song等[12]研究了溫度和濕度對激光衍射法測量霧化器粒徑分布的影響。實驗結(jié)果表明,溫度和濕度對激光衍射測量法的性能和一致性有著顯著的影響,在溫度為5℃,相對濕度為90%的情況下,激光衍射法可以檢測粒徑小于1 μm的粒子分布情況。

圖2 細圓柱衍射花樣[9]Fig.2 Thin cylinder diffraction pattern[9]

1.3 激光準(zhǔn)直測量技術(shù)

激光具有良好的方向性,經(jīng)過準(zhǔn)直的激光其能量分布中心可以看作是一條直線。激光準(zhǔn)直測量技術(shù)利用激光的高方向性,將激光光束作為直線基準(zhǔn)來測量被測物體與激光光束之間的偏差,得到被測物理量的誤差。通常利用激光測量技術(shù)對物體的直線度、同軸度等物理量進行精密測量。按照工作原理的不同,激光準(zhǔn)直測量技術(shù)可分為干涉測量法、振幅測量法和偏振測量法。

樓志斌等[13]提出了一種結(jié)合激光準(zhǔn)直測量技術(shù)的二維轉(zhuǎn)角動態(tài)測量方法,克服了傳統(tǒng)方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的缺點,如圖3所示。該方法采用準(zhǔn)直激光作為直線基準(zhǔn),用位置探測器作為檢測器件。實驗結(jié)果表明,該方法可動態(tài)測量二維轉(zhuǎn)角,測量重復(fù)性誤差為1 μrad,滿足測量所需的高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確度、高重復(fù)性要求。

圖3 結(jié)合激光準(zhǔn)直測量技術(shù)的二維動態(tài)轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)[13]Fig.3 Two dimensional dynamic angle measurement system combined with laser collimation measurement technology[13]

張劉港等[14]提出了一種將視覺測量技術(shù)與激光準(zhǔn)直測量技術(shù)相結(jié)合的激光跟蹤姿態(tài)角測量方法,建立了視覺測量系統(tǒng)坐標(biāo)系與激光準(zhǔn)直測量系統(tǒng)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。實驗結(jié)果表明,在測量距離為2.5 m,姿態(tài)角測量范圍在±20°之間時,該系統(tǒng)姿態(tài)角測量誤差可控制在±2°以內(nèi)。Sun等[15]提出了一種用于同時測量五自由度運動誤差的激光準(zhǔn)直測量系統(tǒng)和光路補償方法,并對直線度和角度誤差進行了補償。通過實驗驗證了系統(tǒng)的可靠性和有效性,該系統(tǒng)可應(yīng)用于精密測量和標(biāo)定領(lǐng)域,包括實時檢測光的漂移等。Liu等[16]針對在較長的工作距離下,激光準(zhǔn)直測量直線度的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性會受到大氣湍流的嚴(yán)重影響這一問題,提出了一種基于激光準(zhǔn)直測量直線度的噪聲衰減方法。該方法采用湍流屏蔽設(shè)計以減小大氣湍流對光束路徑的影響。實驗結(jié)果表明,在測量距離為5 m處安裝湍流屏蔽后,水平直線度噪聲和垂直直線度噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差分別降低了95.6%和84.7%,有效提高了激光準(zhǔn)直直線度測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

1.4 激光三角法測量技術(shù)

激光三角法測量技術(shù)以激光作為光源,利用其入射與反射光線、物體與成像之間的三角關(guān)系對幾何量進行測量。激光技術(shù)、PSD位置敏感探測器以及CCD/CMOS等光電、位置傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,有效促進了激光三角測量技術(shù)的快速發(fā)展。激光三角測量技術(shù)具有無接觸、測量速度快、測量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于幾何量測量領(lǐng)域。

王成武等[17]針對激光三角法測量位移量過程中,被測面位移量與成像光斑在光敏面上的位移量之間的非線性關(guān)系進行了系統(tǒng)分析,確定了擬合過程中的誤差來源,并采用了多項式擬合法,確定了可保證測量誤差的擬合參數(shù)。Víctor等[18]采用激光三角測量技術(shù)對風(fēng)力渦輪機葉片的振動進行了測量,利用沿光束Z軸等距位移的幾何對稱性來獲得振幅數(shù)據(jù),測量葉片一階自振頻率的相對誤差小于1%。Bian等[19]采用激光三角測量技術(shù)對鍛造環(huán)境中的高溫鍛件的缺陷、溫度、位置、尺寸等參數(shù)進行在線檢測,根據(jù)實時檢測結(jié)果調(diào)整鍛壓設(shè)備和改進生產(chǎn)工藝路線,有效提高了鍛壓準(zhǔn)確度和效率。Nan等[20]基于激光三角測距原理,根據(jù)不同物體上的靜態(tài)和動態(tài)實際激光成像波形的特點,提出了一種快速激光調(diào)整算法,可應(yīng)用于點膠機器人的位移測量,實驗結(jié)果表明,該方法測量重復(fù)性誤差為2.7 μm,動態(tài)階躍響應(yīng)延遲為0.5 ms。

在提高激光三角法測量準(zhǔn)確度方面,Nan等[21]對小型激光三角位移傳感器的溫度適應(yīng)性進行了研究,通過極端溫度實驗建立了激光三角位移傳感器的溫度漂移誤差數(shù)據(jù)庫,并通過廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行誤差補償。實驗結(jié)果表明該方法測量結(jié)果的準(zhǔn)確度和溫度的線性度均達到了較高的水平。Ye等[22]提出了一種通過集成衍射光柵提高測量準(zhǔn)確度的激光三角測量方法,與只有一個光斑信息的傳統(tǒng)方法相比,衍射光能夠在CMOS圖像傳感器上產(chǎn)生多個衍射光斑,在一個采樣周期中同時獲得多個采樣結(jié)果,并通過平均運算獲得更高的測量準(zhǔn)確度。實驗結(jié)果顯示:在0~20 mm的測量范圍內(nèi),采用衍射光柵的激光三角測量技術(shù)測量非線性和重復(fù)性分別為0.113% FS和0.89 μm,與未采用衍射光柵的激光三角測量技術(shù)相比有顯著提高。

隨著CCD,CMOS等光電檢測器件的高速發(fā)展,以激光三角法測量技術(shù)為基礎(chǔ)的激光視覺三維測量技術(shù)在精密測量領(lǐng)域也得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。激光視覺三維測量技術(shù)是以激光作為光源,通過結(jié)構(gòu)光在被測物體上的精確點位數(shù)據(jù)來獲取視覺測量信息的主動視覺檢測技術(shù)。激光視覺三維測量技術(shù)通常使用三種結(jié)構(gòu)的激光光源:點結(jié)構(gòu)光[23]、線結(jié)構(gòu)光[24]和面結(jié)構(gòu)光[25]。激光視覺三維測量技術(shù)具有非接觸、快速測量、可在線檢測等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)產(chǎn)品的精密測量領(lǐng)域中。

洪梓銘等[26]提出了一種基于光纖激光的超精密視覺測量方法,實現(xiàn)了對微型物體幾何尺寸的多尺寸快速精密測量。該方法基于線結(jié)構(gòu)光方法對被測物體連續(xù)發(fā)射激光線,再通過相機獲取物體的被測信息,經(jīng)過圖像處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得被測物體的測量值。實驗結(jié)果表明該方法可達到微米級的測量誤差,可準(zhǔn)確、快速地測量微型物體的幾何信息。Hou等[27]針對基于激光視覺測量技術(shù)的機器人免教焊接系統(tǒng)進行了研究,提出了一種快速統(tǒng)一的激光視覺檢測標(biāo)定方法,能夠?qū)崟r獲得亞像素準(zhǔn)確度的特征點,提高了激光視覺檢測系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度。Zheng等[28]針對單傳感器SLAM系統(tǒng)在不同應(yīng)用場景下存在的局限性問題,將激光視覺三維檢測技術(shù)與傳統(tǒng)視覺檢測技術(shù)相融合,提高了激光-視覺融合SLAM系統(tǒng)的定位和映射的準(zhǔn)確度,產(chǎn)生了良好的魯棒性。

1.5 激光多普勒測量技術(shù)

激光多普勒測量技術(shù)的基本原理是基于對運動物體散射光線的多普勒效應(yīng),具有非接觸、準(zhǔn)確度高、響應(yīng)快、不擾亂測量物體等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、空氣動力學(xué)等精密測量領(lǐng)域。

激光多普勒測量技術(shù)在精密測量領(lǐng)域的應(yīng)用方面,宋耀東等[29]基于激光多普勒測量技術(shù),提出了一種三維掃描振動測量方法。該方法將三套激光多普勒測振儀的光束集成于一點,實現(xiàn)對該點三維振動的精密測量,通過控制該點的移動,可實現(xiàn)對整個面的三維振動信息的測量。徐大川等[30]利用激光多普勒技術(shù)搭建了一套極低風(fēng)速測量系統(tǒng),并對系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度、安裝角度等影響測量結(jié)果的因素進行了分析。該系統(tǒng)可以獲得穩(wěn)定可靠的信號,其測量誤差可以控制在0.01 m/s以內(nèi)。Kozlov等[31]提出了一種數(shù)字激光多普勒血流測量的方法和裝置,并提出了一種基于多普勒展寬頻率下功率幅值分布分析的信號處理方法。

在提高激光多普勒測量準(zhǔn)確度方面,席崇賓等[32]為了提高多普勒信號的有效性,增加激光多普勒測量的范圍和距離,提出了一種基于液體透鏡的品質(zhì)因子增強技術(shù)。實驗結(jié)果表明:通過改變驅(qū)動液體透鏡的電流大小,多普勒信號的品質(zhì)因子顯著增加,大幅度提高了激光多普勒測量的范圍和距離。Ma等[33]為了去除激光多普勒對速度的測量結(jié)果中包含的噪聲,采用改進的小波去噪閾值算法和卡爾曼濾波算法對測速數(shù)據(jù)進行處理,提高了測量準(zhǔn)確度。實驗結(jié)果表明,經(jīng)過卡爾曼濾波后的均方根值更接近額定轉(zhuǎn)速值,去噪效果較好。

除了上述幾種在精密測量領(lǐng)域應(yīng)用范圍較廣,發(fā)展程度較為成熟的激光測量技術(shù)以外,還有多種有重要應(yīng)用價值的激光測量技術(shù),例如:激光掃描測徑技術(shù)[34]、激光相位測距技術(shù)[35]、飛秒激光頻率梳測距技術(shù)[36]等,它們具有測量速度快、測量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于圓柱體直徑、長距離測量等領(lǐng)域。

2 激光技術(shù)在精密加工領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

自上世紀(jì)60年代第一臺激光器問世以來,激光加工技術(shù)在精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用就受到科研人員的高度重視。經(jīng)過多年的發(fā)展,激光加工技術(shù)已成為精密制造技術(shù)的重要組成部分,被譽為“萬能的加工工具”。激光加工技術(shù)具有柔性化、高效率、高質(zhì)量等綜合優(yōu)勢,可應(yīng)用于計算機芯片、微電子、航空發(fā)動機等精密加工領(lǐng)域,并且發(fā)揮著越來越重要的作用。目前在精密加工領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟的激光加工技術(shù)有:激光焊接技術(shù)、激光增材制造技術(shù)、激光微納技術(shù)等。

2.1 激光焊接技術(shù)

激光焊接技術(shù)具有能量密度高、焊接速度較快、焊接接頭的熱影響區(qū)小、焊縫成型好、幾乎沒有焊接變形等優(yōu)點,可極大提高焊接的質(zhì)量。通常來說,根據(jù)激光焊接功率密度的大小,可將激光焊接技術(shù)分為激光熱傳導(dǎo)焊接和激光深熔焊接。由于金屬對激光的反射率較高,當(dāng)激光功率密度較小時,到達金屬表面的激光一部分被反射出去,另一部分被金屬表面吸收,完成光能向熱能的轉(zhuǎn)化,金屬表面的熱量以熱傳導(dǎo)的方式向金屬內(nèi)部傳遞。隨著溫度的升高,形成金屬焊接熔池,實現(xiàn)各個零件的連接。當(dāng)激光功率密度較高時,金屬表面瞬間產(chǎn)生的高溫會使表面金屬發(fā)生氣化,形成細長的孔洞,在激光的照射下,孔洞的深度逐漸加大,當(dāng)照射結(jié)束后,孔洞周邊的液體回流,冷卻后形成良好的焊接效果。

國內(nèi)外學(xué)者針對激光焊接技術(shù)在精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用進行了大量的研究,其中陳勇等[37]針對304不銹鋼TIG焊與激光焊接工藝進行了對比研究,如圖4所示。

圖4 TIG焊和激光焊焊縫中心微觀組織[37]Fig.4 Center microstructure of TIG welding and laser welding seams[37]

實驗結(jié)果表明,相較TIG焊,激光焊接焊縫面積以及正反面焊縫寬度更小;通過掃描電鏡對焊縫組織進行觀察,激光焊接焊縫組織奧氏體和δ鐵素體形成的樹枝狀晶體更多,且尺寸更加細小;拉伸破壞實驗結(jié)果表明,激光焊接試樣抗拉強度更大,塑性更好,且激光焊接接頭顯微硬度更高。

在激光焊接輔助技術(shù)方面,雷正龍等[38]針對鋁合金激光焊接接頭性能下降的問題,開展了超聲振動輔助激光焊接的研究,如圖5所示。超聲波的引入增加了焊接熔池成分的均勻性,起到了細化晶粒的作用,提高了焊接接頭的塑性和抗拉強度。與未引入超聲輔助焊接的結(jié)果相比,焊接接頭的抗拉強度提高了40 MPa,接頭延伸率提高了1.9%。孔諒等[39]針對0.5 mm厚純鈦TA2薄板的激光焊接問題,開展了電弧輔助激光焊接實驗研究。結(jié)果表明,相較激光焊接,電弧輔助激光焊接焊縫正面熔寬減小了13.5%,正面余高減小了7.5%。

圖5 5A06鋁合金激光焊接焊縫成型[38]Fig.5 Weld formation of 5A06 aluminum alloy laser welding[38]

在激光焊接數(shù)值模擬方面,王偉等[40]采用ABAQUS有限元分析軟件對鈦/鋁異種合金激光-電弧復(fù)合焊接接頭的殘余應(yīng)力進行了計算,如圖6所示。仿真結(jié)果表明,焊縫中心處應(yīng)力值最大,焊縫兩側(cè)等效殘余應(yīng)力非對稱分布,表現(xiàn)出“兩端受壓,中間受拉”的分布特征,且焊縫正反面余高處存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。周勇等[41]建立了12 mm厚HG785D高強度鋼激

圖6 鈦/鋁異種合金激光-電弧復(fù)合焊實際熔合線形狀與仿真結(jié)果對比[40]Fig.6 Comparison between actual fusion line shape and simulation results of laser arc welding of titanium/aluminum dissimilar alloy[40]

光-MIG復(fù)合焊接的熱源模型,并開展了焊接實驗。采用ANSYS有限元分析軟件對復(fù)合焊接溫度場進行仿真分析,結(jié)果表明,數(shù)值模擬與實驗獲得的焊接接頭溫度場循環(huán)曲線規(guī)律吻合,獲得了12 mm厚HG785D高強度鋼激光-MIG復(fù)合焊接最佳工藝參數(shù)。

2.2 激光增材制造技術(shù)

激光增材制造技術(shù)(Laser Additive Manufacturing,LAM)以高能激光為能量源,以CAD等數(shù)字模型為基礎(chǔ),通過逐層堆疊的方式,將粉末狀、絲狀等原材快速制造成三維零件。與其他增材制造技術(shù)相比,激光的功率密度更高,不受零件材料和結(jié)構(gòu)的限制,可用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)(例如點陣結(jié)構(gòu)、大型薄壁結(jié)構(gòu)、復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)等)以及難加工材料(例如陶瓷材料、復(fù)合材料、鎳基材料等)的加工制造。通常來說,按照成形原理,激光增材制造技術(shù)可以分為激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(Selecting Laser Melting,SLM)和激光熔化沉積技術(shù)(Laser Melting Depositon,LMD)。

SLM技術(shù)在激光增材制造技術(shù)中得到了最為廣泛的應(yīng)用。王文權(quán)等[42]采用SLM技術(shù)制備了TiN/Inconel復(fù)合材料,并對其微觀組織和力學(xué)性能進行了研究。實驗結(jié)果表明,相比IN718合金,SLM成型復(fù)合材料的顯微硬度提高了39 HV0.2,抗拉強度提升了74 MPa。此外,經(jīng)過均勻化+固溶時效熱處理后,復(fù)合材料抗拉強度提升了410 MPa。Van等[43]以及Chen等[44]都通過SLM技術(shù)制備了多孔Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu),用于代替人的骨骼,如圖7所示。Chen等通過CAD設(shè)計了孔隙度為40%~80%,孔徑為600~1000 μm的多孔結(jié)構(gòu),并通過進一步減小粉末尺寸和激光束直徑獲得了更精確的SLM多孔形貌。實驗結(jié)果顯示,孔隙度為67%的試樣與人體骨骼最為匹配,其楊氏模量為15 GPa,屈服應(yīng)力為129 MPa。PARRY等[45]為了探究激光掃描策略對SLM制備的成型結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的影響,采用熱力學(xué)模型進行了分析,發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生殘余應(yīng)力的溫度梯度機制。結(jié)果表明,零件中殘余應(yīng)力的分布呈各向異性,殘余應(yīng)力最大分量與激光掃描矢量平行。

圖7 采用SLM技術(shù)制備的Ti-6Al-4V多孔試樣[44]Fig.7 Ti-6Al-4V porous sample prepared by SLM technology[44]

目前各國學(xué)者針對LMD技術(shù)進行了大量的研究。張榮偉等[46]針對封閉式薄壁空心球體等零部件的制造,提出了連續(xù)多姿態(tài)LMD成形方法,將原始3D模型分段規(guī)劃,并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,如圖8所示。實驗結(jié)果表明,重熔處理后各沉積角球面粗糙度Ra=1.1 μm,提高了LMD成形方法對封閉構(gòu)件的制造能力。陳研等[47]為了提高沉積層的致密度,開展了超聲波輔助LMD成形技術(shù)研究。實驗結(jié)果表明,利用該技術(shù)能夠獲得Al-12Si沉積層致密度達到99.1%的試樣,并且相較無超聲波輔助LMD,試樣抗拉強度提高了17%,延伸率提高了53%。Shi等[48]采用光內(nèi)送粉技術(shù),對扭曲薄壁狀零件的LMD技術(shù)進行了研究。實驗利用六軸機器人進行空間變換,保持噴頭與零件的生長方向相切,成功地沉積了花瓶狀金屬零件,如圖8所示。實驗結(jié)果表明,成型件壁厚均勻,顯微組織細小,顯微硬度較高。

圖8 空心球體LMD成形[46]Fig.8 Hollow sphere LMD forming[46]

除了上述幾種在精密加工領(lǐng)域應(yīng)用范圍較廣,發(fā)展程度較為成熟的激光加工技術(shù)以外,隨著科研人員對激光加工技術(shù)的不斷研究,還開發(fā)出了其他具有重要應(yīng)用價值的激光加工技術(shù),包括:激光打標(biāo)技術(shù)[49]、激光雕刻技術(shù)[50]、激光微納技術(shù)[51]等。

3 結(jié)論與展望

綜述了激光技術(shù)在精密測量和加工領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀,并分別討論了激光測量技術(shù)和激光加工技術(shù)在實際應(yīng)用中的優(yōu)點以及目前存在的問題。作為一種高分辨力、高準(zhǔn)確度、非接觸的測量方式,激光測量技術(shù)在目前的精密測量領(lǐng)域中仍然不可替代。但是,激光測量技術(shù)對測量環(huán)境的要求較高,當(dāng)環(huán)境噪聲較高時,會掩蓋真實信號,引起整個測量系統(tǒng)失調(diào),這已成為制約激光測量技術(shù)應(yīng)用于精密測量領(lǐng)域的因素之一。激光加工技術(shù)具有能量密度高、加工速度快、熱影響區(qū)小等優(yōu)點,但仍存在被加工物體激光反射率高導(dǎo)致激光能量利用率低、激光加工系統(tǒng)的柔性較差、各環(huán)節(jié)之間的合作融合不夠等問題,亟需科研人員開展相關(guān)研究解決。

在精密測量領(lǐng)域,后續(xù)的研究將圍繞以下內(nèi)容展開:1)測量信號噪聲的分析與抑制技術(shù)研究:在激光測量系統(tǒng)中存在大量的由于激光反射、散射及環(huán)境光所造成的噪聲信號,會對測量結(jié)果帶來誤差。因此需要開展針對此類噪聲的理論分析及抑制技術(shù)研究,以減小噪聲對測量結(jié)果的干擾;2)提高激光精密測量系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的精密測量能力:激光精密測量技術(shù)已逐漸應(yīng)用于產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、裝配、測試等各個環(huán)節(jié),針對生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境條件的復(fù)雜性和場地條件的局限性問題,需要對激光測量系統(tǒng)的小型化、測量誤差的快速標(biāo)定、測量方案的自主化決定以及保證在現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境下的測量準(zhǔn)確性等進行深入研究;3)激光測量技術(shù)與先進光電技術(shù)相結(jié)合:激光測量技術(shù)的發(fā)展與光電技術(shù)的發(fā)展密不可分,未來CCD/CMOS等圖像傳感器、PSD位置敏感傳感器、光電二極管等光電技術(shù)的不斷發(fā)展,將不斷提高激光與圖像檢測的靈敏度和速度。將激光測量技術(shù)與先進光電技術(shù)相結(jié)合,將大幅提高激光精密測量的準(zhǔn)確度和效率。

在精密加工領(lǐng)域中,后續(xù)的研究也將圍繞以下內(nèi)容展開:針對被加工物體的材料對激光的反射率較高問題,可將高反射率的激光光源改為低反射率的激光光源,提高激光的輸入能力,有效提高加工效率,節(jié)約生產(chǎn)資源;將激光焊接、激光增材制造等多種激光精密加工技術(shù)相結(jié)合,集成于一臺激光加工中心上,以提高激光加工系統(tǒng)的柔性;將計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機器人技術(shù)、精密測量技術(shù)等結(jié)合起來,構(gòu)建智能化的加工中心,對加工過程進行全程感知、實時分析、自主決策,不僅可以大幅提高激光精密加工的生產(chǎn)效率,還能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量和性能?？梢灶A(yù)見的是,激光技術(shù)將在精密測量和加工領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。