走近科研团队系列报道：长春理工大学激光加工技术研究中心

团队介绍

长春理工大学激光加工技术研究中心是国内起步较早的激光加工技术研究与开发单位之一。80年代初为适应科研工作的需要，建立了原兵器部的第一个强激光加工研究室。1994年中心自行研制成功的国内首台模块组合式5轴4联动数控激光处理系统，标志着中心在激光加工成套设备研制及激光加工技术研究与开发能力挤入了国内先进行列。三十多年来，中心在激光加工技术研究领域先后承担了科技部、教育部、国家自然科学基金委、总装备部、兵器工业集团公司、吉林省科技厅等多部门科研项目30余项，形成了激光热处理技术、激光熔覆技术、激光焊接技术、激光复合焊接技术、激光增材制造技术等五个主要研发方向，为激光加工技术的创新研究和技术开发奠定了坚实的基础。经过三十多年科研及技术开发实践，长春理工大学激光加工技术研究中心已培养锻炼出一支光、机、电、算、材专业知识配套，老、中、青相结合的激光加工设备研制、开发及激光加工工艺研究的科研队伍。

研究中心现有专职教师8人（其中具有博士学位7人，正高级3人，副高级4人，中级1人），在读博士研究生8人，在读硕士研究生30余人。

中心负责人石岩，博士，教授/博士生导师。分别于2005年、2008年及2009年在德国汉诺威激光中心、澳大利亚阳光海岸大学、日本千叶大学进行交流访问、培训学习及共同研究等工作，2012-2013年间以国家公派访问学者身份在美国密歇根大学师从美国院士Mazumder教授从事激光加工领域的研究工作。现任科技部光学国际科技合作基地主任。长期从事激光加工技术领域的研究与应用工作，作为项目负责人或技术骨干完成包括国防973、科技部重大专项、科技部国际合作、装备预研共用与专用技术、吉林省科技厅等国家或省部科研课题10余项，获省部级科技进步二等奖3项、三等奖2项；发表学术论文40余篇，SCI收录10余篇，EI收录20余篇，获专利授权2项，吉林省第十三批有突出贡献的中青年专业技术人才。

技术装备

1、5kW CO₂激光器及五轴四联动数控机床焊接、切割一体机床

激光发生器采用德国Rofin-Sinar公司生产的型号为DC 050的5000W的CO₂板条激光器。数控机床采用西班牙FAGOR公司的FAGOR 8055数控系统进行五轴（F轴为调焦轴）控制，通过数控系统的程序控制可以完成各种复杂三维形体加工。（如图1所示）

图1 DC050型5kW CO₂激光器及其多功能加工机床

2、4kW Nd:YAG激光器及其KUKA机器人焊接系统

激光发生器采用德国Trumpf公司生产的型号为HL4006D型的4000W的灯泵浦的Nd:YAG激光器。机器人为KUKA公司生产的KR30HA型机器人，通过搭载不同的加工头，可以实现激光焊、激光-电弧复合焊接、激光填丝焊、激光填粉焊等工作。（如图2所示）

图2 HL4006D型4kW YAG激光器及其机器人焊接系统

3、TruLaser Robot 5020型激光焊接系统

该系统由德国Trumpf公司生产的TruDisk8002型激光器和KUKA公司生产的KR60HA型机器人所组成。TruDisk8002型激光器最大激光输出功率为8000W，可以实现10-12mm厚钢板的激光焊接、12-15mm厚铝合金板的激光-电弧复合焊接以及15-20mm厚钢板的激光-电弧复合焊接。（如图3所示）

图3 TruDisk8002型8kW碟片激光器及其机器人焊接系统

4、TruPrint 3000激光增材制造系统（项目在建）

TruPrint 3000 是一台配有外部工件和粉末管理系统的中幅面通用设备，使用激光金属熔化技术打印制造复杂的工业金属零件。而它较大的打印空间能够根据不同的应用，在零件的大小、数量和的几何形状等方面实现更佳的灵活性。配备500w光纤激光器，可以在Ø 300 x 400mm范围内实现不锈钢、工具钢、钴铬、铝、镍基金属、钛、贵金属及青铜等金属的高精度3D打印。

  

图4 TruPrint 3000激光增材制造系统

在研项目

1、XXXXXXXXXXX焊接基础研究，国防973项目（KYC-JH-XM-2012-016），2012-07-31至2018-12-31，技术首席与主承研单位；

2、硬脆材料的激光精密成形机理与精确调控技术研究，国家重点研发计划“增材制造与激光制造”专项（2017YFB1104601），2018-05-01至2021-12-31，项目参与单位；

3、XXXXX激光-电弧复合焊接技术，装备预研共用技术项目（KYC-JH-XM-2018-007），2017-01-01至2020-12-31，承研单位；

4、高通量微流道换热器激光增材制造关键技术研究，吉林省科技厅重点科技攻关项目(20170204065GX)， 2017-01-01至2019-12-31，承研单位；

5、核电核心换热器件激光焊接关键技术研究，吉林省科技厅重点科技研发项目(201802010663GX)， 2018-01-01至2020-12-31，承研单位；

6、重型卡车离合器典型结构件激光焊接关键技术研究及应用，林省科技厅重点科技研发项目（20180201049GX），2018-01-01至2020-12-31，承研单位；

7、激光-电弧复合焊接条件下焊丝中氮元素的熔池过渡机理和组织演变规律的研究，吉林省科技厅自然科学基金项目（20160101307JC），2016-01-01至2018-12-31，承研单位；

8、铝合金超声辅助激光-MIG复合焊接机理研究，吉林省教育厅科学技术研究项目（JJKH20170613KL），2017-01-01至2018-12-31，承研单位。

研究方向及成果

1、激光表面热处理技术方向

以齿轮为代表的形状复杂零件激光相变硬化方面（如图5所示），首次提出了齿轮激光相变硬化处理的齿轮偏置、变速扫描和辅助冷却等关键技术，获得了沿齿轮齿廓均匀分布的硬化层，该研究成果2002年获中国兵器科学技术进步三等奖，相关研究成果发表在Surface Engineering等学术刊物上。完成的吉林省科委“激光处理刀具表面提高精密切削加工中刀具寿命的研究”项目2001年获吉林省科学技术进步三等奖。十五期间承担的总装备部“复杂结构件激光热处理技术”项目，首次提出并实现铜基粉末冶金摩擦片激光表面改性，并在摩擦材料内部激光诱导产生准晶-纳米晶，使摩擦片的各项性能指标得到明显改善，相关研究成果发表在Surface Engineering、机械工程学报和中国激光等学术刊物上，2009年获国防科技工业科技进步二等奖。（如图6所示）

图5 齿轮齿面激光相变硬化处理

图6 铜基粉末冶金摩擦片激光表面改性处理

 

2、激光熔覆技术方向

针对高硬度微小型多微孔零件，通过优化的熔覆层材料及熔覆工艺实现熔覆层在保证无气孔及裂纹等缺陷产生的同时，又具有高硬度、高耐磨性能及优良的耐油流冲蚀性能。提出、设计并优化的激光熔覆用紫铜辅助工艺装置技术，避免了该类高硬度、复杂形状的小尺寸关键件在激光熔覆过程中变形、烧蚀、高温回火等现象的产生。通过大量工艺试验探索出的碳棒镶嵌技术，有效解决了多微孔零件激光熔覆过程中熔覆层堵塞微孔的难题。通过该技术熔覆后的关键件耐磨性能提高3～5倍，使用寿命提高35～47%（如图7所示）。通过梯度涂层设计与制备技术的研究，有效解决了高压油泵凸轮轴激光熔覆大面积、高厚度与硬度耐磨涂层技术难题（如图8所示）。

图7 高硬度微小型零件激光表面熔覆

图8 高压油泵凸轮轴激光熔覆梯度耐磨涂层

 

3、激光焊接技术方向

针对带挡板齿圈机械加工难以成形的问题，采用挡板与齿圈分别加工制造，并利用高能激光束对异种钢进行焊接，实现了异种钢精密齿圈激光深熔焊接（如图9所示）。2009年与日本千叶大学、铃木公司共同开展的“钢-铝合金薄板连续-脉冲双激光束焊接研究”工作，采用连续激光加热熔化，脉冲激光穿透、搅拌及冲击熔池的双激光束焊接方法，通过脉冲激光打碎脆性金属间化合物并在熔池底部形成根状焊接结构，将焊缝剪切强度提高到了128MPa（如图10所示）。针对多焊缝、复杂结构、薄壁类零件，采用有限元仿真与试验验证相结合的方法，在保证接头强度的前提条件下，减小了产品的焊接变形，大大提高了产品的互换性和可靠性（如图11所示）。

图9 异种钢精密齿圈激光深熔焊接

图10 钢-铝合金薄板连续-脉冲双激光束焊接

图11 多焊缝、复杂结构、薄壁类零件激光焊接

4、激光复合焊接技术方向

激光-电弧复合焊接兼具有激光焊接和电弧焊接各自的优点，为中厚板材的高效连接提供了技术手段。项目组通过对激光与电弧相互作用机制的研究（如图12和13所示），以及多能场耦合工艺参数的优化，实现了对6-12mm厚的高强钢、高氮钢以及铝合金板材的连接（如图14所示）。

 

图12 激光-电弧复合焊接导电机制研究

 

图13 电弧对光束形状的影响

 

图14 中厚板材激光-电弧复合焊接

 

5、激光增材制造技术方向

激光增材制造技术的出现，为工业级微通道换热器的精密制造提供了一个崭新、可靠、实用、方便、快捷而又高质量的工艺方法。通过创新的换热-承载一体化结构优化设计，采用激光选区熔化技术实现兼顾精确成形与高性能的微流道换热器一体化微流道换热器件具有高的热交换效率与承载能力（如图15所示）。目前该方向申请发明专利3项。

 

图15 工业级微流道换热器件的3D打印技术

6. 激光加工系统的设计与研制方面

有效地将精密机械系统设计、计算机数字控制等相结合，成功地研制出“CGJ-93型5kW数控CO₂激光处理系统”（如图16所示），该系统首次采用模块组合式结构，实现五轴四坐标联动数字控制，解决了多种零、部件复杂表面的热处理难题，研究成果达到了国际先进水平，1997年获中国兵器工业总公司科学技术进步二等奖；结合多年研究成果，为某大型国防企业研制的“数控激光淬火机床”，成功地用于装备的实际生产，取得了重大的经济效益和军事效益（如图17所示）。

图16 团队研制的CGJ-93型5kW 

数控CO₂激光处理系统

图17 为包头一机集团研制的

5kWCO₂激光淬火机床

 

7、国际合作

2005年3月17日,在中国科技部、德国教研部、长春市政府、长春市科技局的支持下，中国长春理工大学和德国汉诺威激光中心在长春签署了组建“中德激光技术培训中心”的协议。经过3年的建设，2008年11月20日，中德激光加工技术培训中心正式揭牌。2007年被科技部国际合作司授予“光学国际科技合作基地”（如图18所示）。

图18 国际合作

8.论文专利

近五年内团队发表学术论文80余篇，SCI收录20余篇，EI收录20余篇，其中机械工程学报10余篇，授权发明专利6项。

产业化推广案例

*项目简介

将激光焊接技术应用于以不锈钢、工业纯镍和工业纯钛等为材料的板式换热器生产制造领域。通过方便科学的焊接工装设计、激光焊接工艺参数优化及气体保护等关键技术，达到焊缝无裂纹、气孔等缺陷；焊缝强度大于母材的95%；在3.9MPa压力下无液体渗漏等技术指标。实现了板式换热器高效精密密封焊接，解决了换热器在高温、高压及腐蚀性介质条件下安全、可靠工作的难题，扩大了换热器在石油、化工、动力、冶金等领域的应用范围。该项目经专家鉴定，达到国际先进水平，拥有自主知识产权，2017年获吉林省科技进步二等奖。

该项研究技术已在四平市巨元瀚洋板式换热器有限公司得到成果转化，并产业化规模生产。不但扩大了板式换热器的工作与应用范围，还提升了产品的技术含量与附加值，提高了产品的档次，增强了企业的市场竞争力，对我国板式换热器产业的技术进步具有重要意义，产生了巨大的经济效益和社会效益。从2014年到2016年，3年内四平市巨元瀚洋板式换热器有限公司在激光焊接板式换热器领域实现了新增产值4.9亿元，新增利润3651万元，新增税收4708万元的业绩，为公司带来了新的经济增长点，也成为公司的亮点。

*关键技术

1、换热器板片对激光焊接变形控制研究

采用有限元数值模拟分析的方法，优化板片对焊接装夹条件和焊接顺序，获得了最小焊接变形工艺。

2、换热器板片对激光密封焊接辅助工艺装备研制

1）板片定位、装夹与背部保护气体调控一体化结构设计

 

2）适用于窄空间、复杂焊道的双层复合焊接气体保护嘴设计

3、板式换热器常用板材激光焊接工艺窗口的优化与选择

 

*在THT得到产业化推广应用的五大类产品

来源：机械工程学报