團隊介紹

長春理工大學激光加工技術研究中心是國內起步較早的激光加工技術研究與開發單位之一。80年代初為適應科研工作的需要，建立了原兵器部的第一個強激光加工研究室。1994年中心自行研制成功的國內首臺模塊組合式5軸4聯動數控激光處理系統，標志著中心在激光加工成套設備研制及激光加工技術研究與開發能力擠入了國內先進行列。三十多年來，中心在激光加工技術研究領域先后承擔了科技部、教育部、國家自然科學基金委、總裝備部、兵器工業集團公司、吉林省科技廳等多部門科研項目30余項，形成了激光熱處理技術、激光熔覆技術、激光焊接技術、激光復合焊接技術、激光增材制造技術等五個主要研發方向，為激光加工技術的創新研究和技術開發奠定了堅實的基礎。經過三十多年科研及技術開發實踐，長春理工大學激光加工技術研究中心已培養鍛煉出一支光、機、電、算、材專業知識配套，老、中、青相結合的激光加工設備研制、開發及激光加工工藝研究的科研隊伍。

研究中心現有專職教師8人（其中具有博士學位7人，正高級3人，副高級4人，中級1人），在讀博士研究生8人，在讀碩士研究生30余人。

中心負責人石巖，博士，教授/博士生導師。分別于2005年、2008年及2009年在德國漢諾威激光中心、澳大利亞陽光海岸大學、日本千葉大學進行交流訪問、培訓學習及共同研究等工作，2012-2013年間以國家公派訪問學者身份在美國密歇根大學師從美國院士Mazumder教授從事激光加工領域的研究工作?，F任科技部光學國際科技合作基地主任。長期從事激光加工技術領域的研究與應用工作，作為項目負責人或技術骨干完成包括國防973、科技部重大專項、科技部國際合作、裝備預研共用與專用技術、吉林省科技廳等國家或省部科研課題10余項，獲省部級科技進步二等獎3項、三等獎2項；發表學術論文40余篇，SCI收錄10余篇，EI收錄20余篇，獲專利授權2項，吉林省第十三批有突出貢獻的中青年專業技術人才。

技術裝備

1、5kW CO₂激光器及五軸四聯動數控機床焊接、切割一體機床

激光發生器采用德國Rofin-Sinar公司生產的型號為DC 050的5000W的CO₂板條激光器。數控機床采用西班牙FAGOR公司的FAGOR 8055數控系統進行五軸（F軸為調焦軸）控制，通過數控系統的程序控制可以完成各種復雜三維形體加工。（如圖1所示）

圖1 DC050型5kW CO₂激光器及其多功能加工機床

2、4kW Nd:YAG激光器及其KUKA機器人焊接系統

激光發生器采用德國Trumpf公司生產的型號為HL4006D型的4000W的燈泵浦的Nd:YAG激光器。機器人為KUKA公司生產的KR30HA型機器人，通過搭載不同的加工頭，可以實現激光焊、激光-電弧復合焊接、激光填絲焊、激光填粉焊等工作。（如圖2所示）

圖2 HL4006D型4kW YAG激光器及其機器人焊接系統

3、TruLaser Robot 5020型激光焊接系統

該系統由德國Trumpf公司生產的TruDisk8002型激光器和KUKA公司生產的KR60HA型機器人所組成。TruDisk8002型激光器最大激光輸出功率為8000W，可以實現10-12mm厚鋼板的激光焊接、12-15mm厚鋁合金板的激光-電弧復合焊接以及15-20mm厚鋼板的激光-電弧復合焊接。（如圖3所示）

圖3 TruDisk8002型8kW碟片激光器及其機器人焊接系統

4、TruPrint 3000激光增材制造系統（項目在建）

TruPrint 3000 是一臺配有外部工件和粉末管理系統的中幅面通用設備，使用激光金屬熔化技術打印制造復雜的工業金屬零件。而它較大的打印空間能夠根據不同的應用，在零件的大小、數量和的幾何形狀等方面實現更佳的靈活性。配備500w光纖激光器，可以在? 300 x 400mm范圍內實現不銹鋼、工具鋼、鈷鉻、鋁、鎳基金屬、鈦、貴金屬及青銅等金屬的高精度3D打印。

  

圖4 TruPrint 3000激光增材制造系統

在研項目

1、XXXXXXXXXXX焊接基礎研究，國防973項目（KYC-JH-XM-2012-016），2012-07-31至2018-12-31，技術首席與主承研單位；

2、硬脆材料的激光精密成形機理與精確調控技術研究，國家重點研發計劃“增材制造與激光制造”專項（2017YFB1104601），2018-05-01至2021-12-31，項目參與單位；

3、XXXXX激光-電弧復合焊接技術，裝備預研共用技術項目（KYC-JH-XM-2018-007），2017-01-01至2020-12-31，承研單位；

4、高通量微流道換熱器激光增材制造關鍵技術研究，吉林省科技廳重點科技攻關項目(20170204065GX)， 2017-01-01至2019-12-31，承研單位；

5、核電核心換熱器件激光焊接關鍵技術研究，吉林省科技廳重點科技研發項目(201802010663GX)， 2018-01-01至2020-12-31，承研單位；

6、重型卡車離合器典型結構件激光焊接關鍵技術研究及應用，林省科技廳重點科技研發項目（20180201049GX），2018-01-01至2020-12-31，承研單位；

7、激光-電弧復合焊接條件下焊絲中氮元素的熔池過渡機理和組織演變規律的研究，吉林省科技廳自然科學基金項目（20160101307JC），2016-01-01至2018-12-31，承研單位；

8、鋁合金超聲輔助激光-MIG復合焊接機理研究，吉林省教育廳科學技術研究項目（JJKH20170613KL），2017-01-01至2018-12-31，承研單位。

研究方向及成果

1、激光表面熱處理技術方向

以齒輪為代表的形狀復雜零件激光相變硬化方面（如圖5所示），首次提出了齒輪激光相變硬化處理的齒輪偏置、變速掃描和輔助冷卻等關鍵技術，獲得了沿齒輪齒廓均勻分布的硬化層，該研究成果2002年獲中國兵器科學技術進步三等獎，相關研究成果發表在Surface Engineering等學術刊物上。完成的吉林省科委“激光處理刀具表面提高精密切削加工中刀具壽命的研究”項目2001年獲吉林省科學技術進步三等獎。十五期間承擔的總裝備部“復雜結構件激光熱處理技術”項目，首次提出并實現銅基粉末冶金摩擦片激光表面改性，并在摩擦材料內部激光誘導產生準晶-納米晶，使摩擦片的各項性能指標得到明顯改善，相關研究成果發表在Surface Engineering、機械工程學報和中國激光等學術刊物上，2009年獲國防科技工業科技進步二等獎。（如圖6所示）

圖5 齒輪齒面激光相變硬化處理

圖6 銅基粉末冶金摩擦片激光表面改性處理

 

2、激光熔覆技術方向

針對高硬度微小型多微孔零件，通過優化的熔覆層材料及熔覆工藝實現熔覆層在保證無氣孔及裂紋等缺陷產生的同時，又具有高硬度、高耐磨性能及優良的耐油流沖蝕性能。提出、設計并優化的激光熔覆用紫銅輔助工藝裝置技術，避免了該類高硬度、復雜形狀的小尺寸關鍵件在激光熔覆過程中變形、燒蝕、高溫回火等現象的產生。通過大量工藝試驗探索出的碳棒鑲嵌技術，有效解決了多微孔零件激光熔覆過程中熔覆層堵塞微孔的難題。通過該技術熔覆后的關鍵件耐磨性能提高3～5倍，使用壽命提高35～47%（如圖7所示）。通過梯度涂層設計與制備技術的研究，有效解決了高壓油泵凸輪軸激光熔覆大面積、高厚度與硬度耐磨涂層技術難題（如圖8所示）。

圖7 高硬度微小型零件激光表面熔覆

圖8 高壓油泵凸輪軸激光熔覆梯度耐磨涂層

 

3、激光焊接技術方向

針對帶擋板齒圈機械加工難以成形的問題，采用擋板與齒圈分別加工制造，并利用高能激光束對異種鋼進行焊接，實現了異種鋼精密齒圈激光深熔焊接（如圖9所示）。2009年與日本千葉大學、鈴木公司共同開展的“鋼-鋁合金薄板連續-脈沖雙激光束焊接研究”工作，采用連續激光加熱熔化，脈沖激光穿透、攪拌及沖擊熔池的雙激光束焊接方法，通過脈沖激光打碎脆性金屬間化合物并在熔池底部形成根狀焊接結構，將焊縫剪切強度提高到了128MPa（如圖10所示）。針對多焊縫、復雜結構、薄壁類零件，采用有限元仿真與試驗驗證相結合的方法，在保證接頭強度的前提條件下，減小了產品的焊接變形，大大提高了產品的互換性和可靠性（如圖11所示）。

圖9 異種鋼精密齒圈激光深熔焊接

圖10 鋼-鋁合金薄板連續-脈沖雙激光束焊接

圖11 多焊縫、復雜結構、薄壁類零件激光焊接

4、激光復合焊接技術方向

激光-電弧復合焊接兼具有激光焊接和電弧焊接各自的優點，為中厚板材的高效連接提供了技術手段。項目組通過對激光與電弧相互作用機制的研究（如圖12和13所示），以及多能場耦合工藝參數的優化，實現了對6-12mm厚的高強鋼、高氮鋼以及鋁合金板材的連接（如圖14所示）。

 

圖12 激光-電弧復合焊接導電機制研究

 

圖13 電弧對光束形狀的影響

 

圖14 中厚板材激光-電弧復合焊接

 

5、激光增材制造技術方向

激光增材制造技術的出現，為工業級微通道換熱器的精密制造提供了一個嶄新、可靠、實用、方便、快捷而又高質量的工藝方法。通過創新的換熱-承載一體化結構優化設計，采用激光選區熔化技術實現兼顧精確成形與高性能的微流道換熱器一體化微流道換熱器件具有高的熱交換效率與承載能力（如圖15所示）。目前該方向申請發明專利3項。

 

圖15 工業級微流道換熱器件的3D打印技術

6. 激光加工系統的設計與研制方面

有效地將精密機械系統設計、計算機數字控制等相結合，成功地研制出“CGJ-93型5kW數控CO₂激光處理系統”（如圖16所示），該系統首次采用模塊組合式結構，實現五軸四坐標聯動數字控制，解決了多種零、部件復雜表面的熱處理難題，研究成果達到了國際先進水平，1997年獲中國兵器工業總公司科學技術進步二等獎；結合多年研究成果，為某大型國防企業研制的“數控激光淬火機床”，成功地用于裝備的實際生產，取得了重大的經濟效益和軍事效益（如圖17所示）。

圖16 團隊研制的CGJ-93型5kW 

數控CO₂激光處理系統

圖17 為包頭一機集團研制的

5kWCO₂激光淬火機床

 

7、國際合作

2005年3月17日,在中國科技部、德國教研部、長春市政府、長春市科技局的支持下，中國長春理工大學和德國漢諾威激光中心在長春簽署了組建“中德激光技術培訓中心”的協議。經過3年的建設，2008年11月20日，中德激光加工技術培訓中心正式揭牌。2007年被科技部國際合作司授予“光學國際科技合作基地”（如圖18所示）。

圖18 國際合作

8.論文專利

近五年內團隊發表學術論文80余篇，SCI收錄20余篇，EI收錄20余篇，其中機械工程學報10余篇，授權發明專利6項。

產業化推廣案例

*項目簡介

將激光焊接技術應用于以不銹鋼、工業純鎳和工業純鈦等為材料的板式換熱器生產制造領域。通過方便科學的焊接工裝設計、激光焊接工藝參數優化及氣體保護等關鍵技術，達到焊縫無裂紋、氣孔等缺陷；焊縫強度大于母材的95%；在3.9MPa壓力下無液體滲漏等技術指標。實現了板式換熱器高效精密密封焊接，解決了換熱器在高溫、高壓及腐蝕性介質條件下安全、可靠工作的難題，擴大了換熱器在石油、化工、動力、冶金等領域的應用范圍。該項目經專家鑒定，達到國際先進水平，擁有自主知識產權，2017年獲吉林省科技進步二等獎。

該項研究技術已在四平市巨元瀚洋板式換熱器有限公司得到成果轉化，并產業化規模生產。不但擴大了板式換熱器的工作與應用范圍，還提升了產品的技術含量與附加值，提高了產品的檔次，增強了企業的市場競爭力，對我國板式換熱器產業的技術進步具有重要意義，產生了巨大的經濟效益和社會效益。從2014年到2016年，3年內四平市巨元瀚洋板式換熱器有限公司在激光焊接板式換熱器領域實現了新增產值4.9億元，新增利潤3651萬元，新增稅收4708萬元的業績，為公司帶來了新的經濟增長點，也成為公司的亮點。

*關鍵技術

1、換熱器板片對激光焊接變形控制研究

采用有限元數值模擬分析的方法，優化板片對焊接裝夾條件和焊接順序，獲得了最小焊接變形工藝。

2、換熱器板片對激光密封焊接輔助工藝裝備研制

1）板片定位、裝夾與背部保護氣體調控一體化結構設計

 

2）適用于窄空間、復雜焊道的雙層復合焊接氣體保護嘴設計

3、板式換熱器常用板材激光焊接工藝窗口的優化與選擇

 

*在THT得到產業化推廣應用的五大類產品

來源：機械工程學報