田曉猛

摘 要： 激光加工技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用能夠大大增強(qiáng)加工材料以及零部件的性能，有效提升機(jī)械制造的效率和質(zhì)量，進(jìn)一步縮短機(jī)械制造的時(shí)間，在很大程度上降低了機(jī)械制造的成本，對(duì)制造企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的全面提升有非常大的促進(jìn)作用。本文從機(jī)械制造中常用的幾種激光加工技術(shù)著手，闡述了這些技術(shù)實(shí)際應(yīng)用原理和效果，以供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞： 激光加工；機(jī)械制造；激光熔覆；激光切割

最近幾十年來，各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)不斷取得突破，其中激光加工技術(shù)飛速發(fā)展，目前已經(jīng)在很多領(lǐng)域取代了人工加工工藝。在機(jī)械制造過程中應(yīng)用激光加工技術(shù)，能夠?qū)Ω鞣N材料進(jìn)行加工和處理，在提高材料性能的同時(shí)，也相應(yīng)促進(jìn)了激光加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。激光加工技術(shù)憑借諸多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代機(jī)械制造領(lǐng)域中，對(duì)機(jī)械制造類企業(yè)的快速發(fā)展有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.激光加工技術(shù)的基本原理

通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)可以充分了解激光的形成原理，實(shí)驗(yàn)人員利用特定工具將光能或電能撞擊到某些晶體或原子內(nèi)易激發(fā)物質(zhì)上，這些原子攜帶的電子會(huì)處在高能量狀態(tài)，而后在高能量轉(zhuǎn)化成低能量的過程中，原子會(huì)產(chǎn)生更多的能量，從而釋放出光子。這些光子又再次撞擊原子，原子就隨之產(chǎn)生光子，在此循環(huán)過程中，光子集中朝統(tǒng)一方向運(yùn)行，形成具有強(qiáng)大能量的光，也就是激光。激光能量極強(qiáng)，能夠輕松穿透多種材料。比如，眾所周知的紅寶石激光，其輸出脈沖的所有能量尚不能加熱冷水到沸點(diǎn)，但其能穿透5毫米厚的鋼板。由此可知，雖然激光的光能普通，但其功率密度非常高，具有極強(qiáng)的穿透能力，遠(yuǎn)超普通光束的性能，所以，激光加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用在機(jī)械制造等諸多領(lǐng)域中。

2.激光加工技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

2.1激光處理技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

在機(jī)械材料處理過程中常用的激光加工技術(shù)有熱處理技術(shù)和表面強(qiáng)化技術(shù)兩種，這兩種技術(shù)的應(yīng)用能夠使機(jī)械材料表面溫度快速升高，在即將達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)就促使材料形態(tài)迅速發(fā)生改變，以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面的處理。激光加工技術(shù)是在過去熱處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展過來的，機(jī)械材料被激光處理后，材料的耐腐蝕性以及抗疲勞性等多種性能都得到進(jìn)一步增強(qiáng)，并且材料的使用年限也相應(yīng)延長(zhǎng)。激光加工技術(shù)在工件表面處理中的應(yīng)用，在很大程度上提升了材料的物理特性，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量有非常大的促進(jìn)作用。

激光加工技術(shù)不僅可以獨(dú)自應(yīng)用，還能與其他技術(shù)有效結(jié)合，從而形成新的材料處理方式。比如，激光技術(shù)與CAD技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，就在材料處理方面開辟了一條新的途徑。技術(shù)人員在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中利用CAD技術(shù)來控機(jī)械設(shè)計(jì)流程，對(duì)零部造型進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，然后在此基礎(chǔ)上利用激光技術(shù)進(jìn)行加工和處理。利用CAD技術(shù)設(shè)計(jì)出的零部件造型的精確度非常高，能夠有效簡(jiǎn)化零部件的制造流程，從而降低其制造難度。同時(shí)若零部件造型設(shè)計(jì)存在缺陷，還可以利用CAD進(jìn)行及時(shí)修改修正，以提高產(chǎn)品的完美程度。

2.2激光熔覆技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

激光熔覆技術(shù)是通過各種填料方式將相關(guān)涂層材料布設(shè)在材料表面，利用激光照射促使材料表面薄層與涂層材料在同一時(shí)間熔化，以有效增強(qiáng)材料的耐熱耐磨等多種性能。不少材料在進(jìn)行表面處理后，其硬度可達(dá)到處理前的很多倍。例如，利用碳鎢激光熔覆技術(shù)對(duì)60號(hào)鋼進(jìn)行有效處理后，其硬度能超過2200維氏硬度，耐腐蝕性能也提高到處理前的二十倍左右。

現(xiàn)階段，激光熔覆技術(shù)主要用于損壞工件的修復(fù)以及材料表面改性。英國(guó)勞斯萊斯公司很早就利用激光熔覆技術(shù)來改善汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能，在很大程度上提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的硬度與耐磨性能。美國(guó)AVCO公司利用激光熔覆技術(shù)對(duì)汽車排氣門合金熔覆處理，極大地增強(qiáng)了排氣門的耐腐蝕性以及抗沖擊能力，并且有效降低生產(chǎn)成本。激光熔覆技術(shù)還能在汽車齒輪以及換向器等零部件的加工制造過程中有效應(yīng)用。近幾年，激光熔覆技術(shù)在汽車曲軸以及發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的修復(fù)處理中取得了突破，利用該技術(shù)修復(fù)過的零部件性能都能與新產(chǎn)品相媲美，并且其修復(fù)成本也相對(duì)降低了很多。

2.3激光切割技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

激光切割技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用原理與激光熔覆技術(shù)沒有太大差異，也是利用激光的高能激光束對(duì)工件進(jìn)行照射，使其迅速升溫。不同之處在于，激光切割技術(shù)是持續(xù)加熱材料直到氣化，產(chǎn)生的蒸汽迅速外排，或?qū)⒉牧先刍罄锰囟怏w將液態(tài)材料及其熔渣排出，從而在材料上形成切縫。激光切割技術(shù)不僅能夠應(yīng)用在多種合金材料或鋼材的加工過程中，還能應(yīng)用在陶瓷、塑料等非金屬材料的加工中。在利用激光切割技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行加工時(shí)，激光束幾乎不會(huì)影響其他非照射部位，也就是說其熱影響的面積較小，工件幾乎不會(huì)發(fā)生熱變形情況。同時(shí)，該技術(shù)切割后的切口細(xì)小，切縫面光滑，切割質(zhì)量良好。

在汽車制造領(lǐng)域，激光三維切割技術(shù)已經(jīng)完全取代了過去的沖孔與修邊模工藝，使車身覆蓋件的生產(chǎn)時(shí)間大大縮短。我國(guó)的工程機(jī)械制造領(lǐng)域中，徐工集團(tuán)等也都先后引進(jìn)了大幅面激光切割機(jī)。另外，激光切割技術(shù)在航空制造領(lǐng)域中的飛機(jī)框架、機(jī)翼長(zhǎng)桁等部件制造加工中也得以廣泛應(yīng)用。

2.4激光焊接技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

激光能夠在瞬間釋放出極高的熱能，而激光焊接技術(shù)就是利用激光的這種高熱性能加熱工件，來熔化材料而進(jìn)行焊接連接的。激光焊接技術(shù)是一種非接觸式焊接，在一定情況下要添加一定的金屬填料，根據(jù)不同的材料質(zhì)地采用相應(yīng)的保護(hù)氣體，以避免熔池發(fā)發(fā)生氧化現(xiàn)象。激光焊接技術(shù)在焊接靈活度和速度方面有很大優(yōu)勢(shì)，利用該技術(shù)焊接過的工件基本不會(huì)出現(xiàn)變形問題，在焊接后無需進(jìn)行熱處理。

激光焊接技術(shù)在航空領(lǐng)域中應(yīng)用較為普遍，在焊接鋁合金方面已經(jīng)完全取代了過去的鉚接技術(shù)，從而能將航空器重量降低兩成左右，而相應(yīng)的成本支出也減少了至少兩成。歐洲空中客車公司將激光焊接技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)制造中，成功提高了飛機(jī)制造的效率和質(zhì)量，為公司帶來了很大的經(jīng)濟(jì)效益，引發(fā)了航空制造領(lǐng)域的技術(shù)革命。而我國(guó)的研發(fā)人員也研發(fā)出雙光束激光填絲復(fù)合焊接設(shè)備，能夠?qū)Υ笮捅”诮Y(jié)構(gòu)T型接頭進(jìn)行雙光束雙側(cè)同步焊接，并在一些航空器的帶金壁板重要構(gòu)件的焊接過程中成功應(yīng)用了該技術(shù)，為我國(guó)的航空制造也做出了極大貢獻(xiàn)。

2.5激光增材制造技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

目前在市場(chǎng)上廣泛流傳的3D打印技術(shù)實(shí)際上是激光增材制造的別稱，該技術(shù)利用大功率的激光高能量源，以合金粉末或絲材作為原料，通過三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分層加工制造，一層層累積疊加，從而把CAD數(shù)字模型轉(zhuǎn)化加工為三維實(shí)體零件。從該技術(shù)的應(yīng)用原理來看，可劃分為激光選區(qū)熔化工藝以及激光金屬直接成形工藝。前者是首先把粉末鋪設(shè)好，其次通過高能量激光束根據(jù)設(shè)定好的路徑對(duì)金屬粉末進(jìn)行掃描，促使其快速熔化，最后冷卻凝固成形。后者是根據(jù)設(shè)定好的加工路徑，通過激光束把一起送入的金屬粉末快速熔化并迅速凝固，這樣一層層疊加最終成形。激光增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于加工制造過程不需要模具，加工流程相對(duì)較短，并且該技術(shù)的柔性非常高，可用于高活性、難切削以及難熔類的材料加工，還能用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁零件加工，經(jīng)過該技術(shù)加工后的零部件各方面性能都相對(duì)較強(qiáng)。

總之，激光加工技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用，能夠?yàn)闄C(jī)械制造類企業(yè)生產(chǎn)出更多質(zhì)量更高的產(chǎn)品提供很大支持，是目前機(jī)械制造領(lǐng)域不可或缺的重要加工技術(shù)。機(jī)械制造類企業(yè)要高度重視激光加工技術(shù)類人才的培養(yǎng)，加大對(duì)激光加工技術(shù)的研發(fā)力度，以通過技術(shù)的提升來完成企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]趙元安， 胡國(guó)行， 劉曉鳳，等. 激光預(yù)處理技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 光學(xué)精密工程， 2016， 24（12）：2938-2947.

[2]常成， 劉建永， 楊偉，等. 激光熔覆技術(shù)及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2016， 30（2）：49-53.

[3]王新明， 孫有亮， 陳立偉，等. 對(duì)激光切割技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的研究[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)， 2017（16）：176-177.