傅中明，李德明

1.揚州豐源車身制造有限公司 江蘇揚州 225000

2.山推工程機械股份有限公司 山東濟寧 272000

1 序言

工程機械作為機械制造行業(yè)的重要分支，具有門類多、功能復雜、結(jié)構(gòu)強度高等特點。雖然一直以來很少成為各種制造新技術(shù)的試驗田，但由于科技人員的創(chuàng)新精神和攻堅克難的勇氣，新技術(shù)也將最終推廣到工程機械制造領(lǐng)域，比如焊接機器人、自動化、智能物流等。當然激光加工技術(shù)作為一種綠色、環(huán)保、高效并且與物件無接觸的加工技術(shù)，自然也受到行業(yè)的青睞。

2 激光加工的特點

激光加工起源于20世紀60年代的德國，其加工原理主要是利用激光器產(chǎn)生的高能粒子對工件的表面進行熔化和氣化，并以此原理進行各種衍生加工技術(shù)。由于激光光束具有很好的穩(wěn)定性和抗干擾性，并且對被加工件限制條件（如加工的形狀、尺寸、環(huán)境）較少，因此可對大部分金屬材料和非金屬材料進行高質(zhì)量、高精度加工。激光加工技術(shù)一直都是“高精尖特”的技術(shù)代表[1，2]。

其加工特點及優(yōu)勢總體來說，可以概況為“高、快、好、省、廣”，具體內(nèi)容如下：

（1）高 激光加工精度高、加工效率高、材料利用率高、經(jīng)濟效益高。比如一臺價格30萬元的激光切割機，企業(yè)在正常加工的情況下，一年半時間就可以收回設備成本，并產(chǎn)生利潤。

（2）快 加工速度快，由于激光的能量介質(zhì)是光源，因此其加工速度非?？欤罡呖蛇_100m/min。目前，最先進的3G激光切割機，其速度是主流加工設備的1.5倍以上。

（3）好 激光加工抗干擾性好，不容易受環(huán)境因素的影響，因此激光加工出來的零件質(zhì)量非常好，精度可以和普通的機床精加工處于同一水平（微米級）。

（4）省 激光加工的產(chǎn)品材料利用率高，比較省材料；據(jù)不完成統(tǒng)計，激光加工與其他加工技術(shù)相比，可節(jié)省材料10%～30%。另外，激光加工屬于不接觸加工工藝，因此設備所需要的耗材比較少，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。

（5）廣 激光加工的材料范圍十分廣泛，不僅可以加工金屬材料，也適用于加工非金屬材料。另外，激光加工材料形狀比較廣，直線、曲線、異形圖案等都可以加工出來，真正實現(xiàn)無障礙加工。

3 激光加工技術(shù)在工程機械制造中的應用

近幾年來，隨著激光加工技術(shù)及設備的突破，越來越多地應用于工程機械產(chǎn)品制造各工序中。下面就目前工程機械應用的主流技術(shù)進行介紹。

3.1 激光加工技術(shù)在板材切割下料領(lǐng)域的應用

激光切割是利用激光振蕩器輸出的激光光束通過聚焦鏡聚焦，產(chǎn)生的高密度能量照射在材料上使之熔化蒸發(fā)而進行的切割方法。與生產(chǎn)中常用的熱切割法（火焰、等離子等）相比，因為單位面積的能量大，所以能進行切割割縫較小的高精度產(chǎn)品。

例如，某公司下料中心擁有精細等離子切割、光纖激光切割、平板坡口切割、管相貫線切割、鉆切復合一體機、型鋼切割六大類設備100余臺，為工程機械廠家卡特、小松、約翰迪爾以及國內(nèi)工程機械以及權(quán)屬子公司產(chǎn)品下料，同時服務于當?shù)嘏涮灼髽I(yè)的需求。其中包含三臺二維激光切割機（見圖1）、兩臺三維激光切割機（見圖2）。激光下料產(chǎn)品涉及幾乎所有工程機械大類使用的機罩、油箱、駕駛室等零部件產(chǎn)品，厚度以1～25mm板或型材為主，切割材料為從普材Q235A至1000MPa高強度板，每年下料能力達到2萬t。

目前，工程機械板材加工行業(yè)內(nèi)的主流技術(shù)產(chǎn)品所使用的激光切割機有兩種，分別為CO2激光切割機和光纖激光切割機。CO2激光切割機為早期產(chǎn)品，技術(shù)沒有光纖激光先進，波長約為光纖的1/10。傳播一般是在與外界空氣隔離的光路內(nèi)進行，光纖激光在光纖中傳播，通過性更好，能量束更高，從而熱影響更小，切割線更窄，有利于提高下料效率、材料利用率和板材下料的熱變形等。

圖1 二維激光切割機

除常規(guī)的激光切割下料外，激光切割技術(shù)在圓孔切割、預留工藝豁口及工藝樣板制作等方面應用優(yōu)勢明顯，可應用于工藝裝備孔的“以切代鉆”，省去鉆孔工序的時間，提高生產(chǎn)效率，以及節(jié)省鉆模板的制作費用[3]。

圖2 三維激光切割機

3.2 激光加工技術(shù)在焊接領(lǐng)域的應用

傳統(tǒng)的工程機械焊接技術(shù)大多數(shù)采用的是氣體保護焊、埋弧焊或氬弧焊等焊接方式，焊接出來的產(chǎn)品往往存在著飛濺多、變形量大等質(zhì)量缺陷，另外產(chǎn)生的焊接弧光、灰塵也會危害操作人員的身心健康。隨著技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)制品生產(chǎn)企業(yè)也在就如何提升焊接質(zhì)量、效率以及減少人工作業(yè)方面做了大量的工作，逐漸把汽車工業(yè)白車身的機器人焊接、流水線以及柔性制造理念引入到工程機械焊接工序。

早期由于激光功率不足和激光焊技術(shù)受限，無法在多以中厚板或超厚板為主的工程機械產(chǎn)品中應用。但近幾年上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學等知名高校，針對中厚板激光焊接技術(shù)進行了大量的研究及試驗，也形成了高功率激光深熔焊、電弧復合焊、超窄間隙多層填絲焊以及真空負壓激光焊等多種焊接方法[4-8]。激光電弧復合焊技術(shù)在工程機械起重機臂架應用較為成功，是將能量傳輸機制和物理特性截然不同的兩種熱源復合在一起，作用于統(tǒng)一焊接位置，可以同時發(fā)揮兩種熱源的優(yōu)勢，使焊縫熔深增大、間隙搭橋能力增強，焊接效率提高，起到1+1＞2的效果。

例如，汽車起重機伸臂材質(zhì)為屈服強度960MPa的高強鋼，采用激光-雙絲MAG復合焊接（見圖3）。相比傳統(tǒng)的焊接具有焊接適應性強，可適用于高反射和難焊接以及異種材料的焊接；提高焊接過程穩(wěn)定性，改善焊縫成形，并可消除焊接缺陷，提高焊縫質(zhì)量，100%全檢通過；效率提升了300%，相比單一熱源焊接，復合焊接能夠有效增加熔深50%，提高焊接速度，同時保證較小的熱輸入；具有更高的填充效率，節(jié)約30%以上單位焊絲用量。

圖3 激光-復合MAG焊應用實例

3.3 激光加工技術(shù)在再制造領(lǐng)域的應用

近幾年，工程機械再制造業(yè)務發(fā)展較快，一方面節(jié)能降耗，屬綠色制造范疇，國家大力提倡；另一方面再制造后的產(chǎn)品性能與新品基本相當，價格約為新品的2/3，用戶也逐漸接受認可，僅投入40%～60%的制造成本，企業(yè)也樂意去做。零部件再制造主要是更換一些易損件、密封件和修復機構(gòu)中的磨損，這其中用到最重要的技術(shù)就是高效激光堆焊技術(shù)，也稱激光熔覆技術(shù)，主要原理為利用高功率、高密度的激光束，在基體表面形成一層微熔層，同時預置或同步添加特定成分的直熔合金粉，以此達到對磨損的零部件進行均勻修復的目的，也屬于一種增材制造技術(shù)[9]。同時具有較高的靈活性，對零部件堆焊區(qū)域可選、材料可選甚至性能可選，為實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化定制提供了優(yōu)質(zhì)可行的制造方案。如大功率推土機底盤用履帶漲緊彈簧筒由于使用中出現(xiàn)磨損，再制造針對磨損區(qū)域采取激光熔覆增材處理（見圖4）[10]，從耐磨多個維度指標進行檢測，表面硬度合格，熔覆狀態(tài)層硬度梯度合理，金相組織較好，可使大功率推土機彈簧筒壽命提升300%，目前不僅用于再制造，同時在新品上替代原鍍鉻+前期感應熱處理工藝，大大提升了產(chǎn)品在行業(yè)中的競爭力。

圖4 大功率推土機彈簧筒激光增材示意

3.4 激光加工技術(shù)在質(zhì)量管理領(lǐng)域的應用

ISO 9000質(zhì)量管理體系明確要求做好零部件的過程監(jiān)控，質(zhì)量要具有可追溯性。工程機械廠家為有效地追溯零部件質(zhì)量情況和使用情況，也要求自制零部件及配套商做好永久性標識，標識的內(nèi)容主要包括產(chǎn)品名稱、物料號、圖號、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期及二維碼等基本信息。傳統(tǒng)的打標技術(shù)主要是利用氣缸不斷的機械運動沖擊物件，在標牌表面留下運動軌跡，這種方式存在著噪聲大、字跡模糊、標牌變形等缺點。而激光打標技術(shù)屬于無接觸加工，它是利用激光發(fā)出的光束，使工件表面材料瞬間熔融，通過控制激光在材料表面的路徑，從而形成圖文標記的一種方法，如圖5所示。與傳統(tǒng)方法相比，具有以下優(yōu)勢：①速度快，相比傳統(tǒng)速度提升一倍以上。②字體質(zhì)量高，字跡清晰，并且很多復雜的圖案、符號、字母也可打印出來，這點是傳統(tǒng)的打標方式無法比擬的。③無接觸加工，綠色環(huán)保無污染，結(jié)合數(shù)控軟件系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動化打標。

圖5 標牌打碼應用對比實例

3.5 結(jié)論

通過以上實例可以看出，激光加工技術(shù)已不斷應用到工程機械制造的各個工序環(huán)節(jié)，當然激光清洗技術(shù)也正在吸引來自航空航天、汽車、工程機械等領(lǐng)域的關(guān)注[11]。該工藝可用于去除油漆、清潔模具或在焊接前去除氧化層和涂層，其速度更快，并且產(chǎn)生的廢料更少，目前工程機械行業(yè)應用較少。針對上述激光加工技術(shù)，大多工程機械企業(yè)已把其納入到自己的企業(yè)工藝標準，用以提升產(chǎn)品的品質(zhì)和效率。隨著激光加工技術(shù)國產(chǎn)化加快，部分中小企業(yè)也嘗試購買激光設備進行激光加工，以降低人工成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，但是和國外成熟的標準化應用相比，國內(nèi)加工企業(yè)還有很長的路要走。

4 激光加工技術(shù)發(fā)展趨勢

激光加工技術(shù)是集機械、電氣、數(shù)控、光學及液壓等多領(lǐng)域結(jié)合的一門復雜系統(tǒng)，企業(yè)進入該領(lǐng)域的技術(shù)門檻較高，因此以英國、德國、美國為代表的發(fā)達國家，一直主導激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。雖然我國進入該領(lǐng)域的起步較晚，但是隨著國家戰(zhàn)略“中國制造2025”的不斷實施，我國的激光設備廠家和科研機構(gòu)奮發(fā)圖強，涌現(xiàn)出如華工科技、大族激光、團結(jié)激光等后起之秀，其產(chǎn)品和技術(shù)與國外激光設備的差距在不斷縮小。另外，激光加工技術(shù)發(fā)展也是一個漫長與艱辛的過程，需要社會各方面的努力，筆者認為未來激光加工技術(shù)會往以下幾個方面發(fā)展。

（1）激光器小型化 激光器一直作為激光加工技術(shù)的核心部件，其大小將決定整個設備的大小。前期由于微電子技術(shù)和光學技術(shù)的限制，激光器體積比較龐大，占地也較大。隨著激光器新技術(shù)（如光纖技術(shù)、紫外技術(shù)等）的不斷進步和發(fā)展，一批具有轉(zhuǎn)換效率高、工作穩(wěn)定性好、光束質(zhì)量好、體積小的激光器被開發(fā)出來，從而為激光設備的小型化提供了良好的基礎。

（2）加工多能化 為適應市場的需求，激光設備廠家將不再追求單一的激光加工功能，而是開發(fā)集成切割、焊接、熱處理、噴涂中兩個或更多功能于一體的設備，為客戶實現(xiàn)設備價值的最大化。

（3）設備智能化 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，設備智能化將是激光加工技術(shù)又一大趨勢。智能工廠將各種生產(chǎn)計劃、材料的加工數(shù)據(jù)上傳至企業(yè)云端，工程師們在辦公室內(nèi)通過遠程終端遙控，發(fā)出作業(yè)指令，控制設備運行狀態(tài)，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的數(shù)字化、自動化和信息化。

5 結(jié)束語

隨著“中國制造2025”規(guī)劃的實施，激光加工技術(shù)以其無法比擬的優(yōu)勢，成為推動工程機械產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要工具。在互聯(lián)網(wǎng)+、5G等信息化技術(shù)大量引入之后，激光加工制造也開始向智能化制造轉(zhuǎn)型。在國家大力提倡企業(yè)堅持技術(shù)創(chuàng)新的背景下，國產(chǎn)激光生產(chǎn)廠家將不斷加大研發(fā)投入，為市場提供性價比更高的激光設備，從而帶動新興領(lǐng)域和傳統(tǒng)制造工藝革新，也為未來工程機械制造業(yè)激光加工技術(shù)的更加廣泛應用提供了技術(shù)支持。