丁飛　毛銳　張小龍

摘 要：激光加工技術(shù)作為科學(xué)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)開展過程中的延伸，不斷拓展了更為廣泛的應(yīng)用范圍，同時(shí)也在很大程度上促使激光加工技術(shù)的優(yōu)化升級。本文主要通過全面了解激光加工技術(shù)的主要概念，分析激光加工技術(shù)的特點(diǎn)性質(zhì)，從而進(jìn)一步展開機(jī)械制造行業(yè)的相關(guān)使用路徑綜合論述，最終為更好的總結(jié)歸納出今后未來激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：激光加工技術(shù);機(jī)械制造;技術(shù)應(yīng)用

1 激光加工技術(shù)的優(yōu)勢和特點(diǎn)

激光加工技術(shù)屬于無接觸加工，無“刀具”磨損，無“切削力”，對工件無直接沖擊，因此無機(jī)械變形;激光束易于導(dǎo)向、聚焦實(shí)現(xiàn)作各方向變換，且其移動(dòng)速度均可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目，便于與數(shù)控系統(tǒng)配合、對復(fù)雜工件進(jìn)行加工;光斑直徑小且可調(diào)、加工速度快，因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小;激光的波長、頻率、能量光斑大小形狀可調(diào)，因此幾乎可以加工各種材料;光束可過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工;因此可實(shí)現(xiàn)常規(guī)手段無法實(shí)現(xiàn)加工形式;激光切割的割縫小，切割面光滑，無需后期處理，因此一致性高，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠。目前的激光加工設(shè)備，常與電子，機(jī)械以及數(shù)字智能化系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)加工設(shè)備的自動(dòng)化、智能化、高速化、無人化、柔性化加工，未來將完全替代傳統(tǒng)生產(chǎn)方式成為綠色的生產(chǎn)工具。

2 激光加工在機(jī)械制造中的應(yīng)用

2.1 激光熱處理

激光熱處理技術(shù)也稱激光淬火，是以高能量激光束快速掃描工件，使被照射的金屬或合金表面溫度以極快速度升高到相變點(diǎn)以上，隨著材料自身冷卻，使材料表面硬化，形成的表面硬化層硬度比常規(guī)方法熱處理的高15%～20%，硬化層深度一般為0.3～1.5mm，從而增加材料表面的疲勞強(qiáng)度，則可以大大提高材料的耐磨性和疲勞性能，如：在汽車關(guān)鍵件上缸體、缸套、曲軸、鋁活塞環(huán)槽等都可以采用激光熱處理，可以降低這些制造工藝復(fù)雜，精度要求高的模具成本投入，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 材料處理

激光加工技術(shù)對于材料處理方面的應(yīng)用十分廣泛，其主要工作原理是借助激光的熱處理技術(shù)，對材料表面進(jìn)行熱能釋放，當(dāng)溫度上升接近材料熔點(diǎn)時(shí)，被處理材料形態(tài)會發(fā)生相應(yīng)改變。由于激光加工技術(shù)的融合性，所以在材料處理方面，進(jìn)一步升級優(yōu)化了傳統(tǒng)熱處理技術(shù)。通過激光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)材料處理，在很大程度上延長處理材料的使用壽命，顯著提升處理材料的耐熱性，與此同時(shí)，根據(jù)激光加工技術(shù)在材料熱處理方面展現(xiàn)的優(yōu)勢，該技術(shù)生產(chǎn)制造的產(chǎn)品也表現(xiàn)出更為顯著的市場競爭力。所以選擇性使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)制圖技術(shù)結(jié)合激光加工技術(shù)，為更好的實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)目標(biāo)，有效增強(qiáng)材料熱處理手段，從根本上解決了機(jī)械制造的自動(dòng)化精準(zhǔn)度，有效的實(shí)現(xiàn)激光技術(shù)和CAD技術(shù)的相互融合，可以充分降低機(jī)械制造企業(yè)的生產(chǎn)難度，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的實(shí)際加工效率。

2.3 材料修復(fù)

對于激光技術(shù)的機(jī)械制造在材料加工方面的應(yīng)用展開相應(yīng)研究，通過判斷可以看出，激光加工技術(shù)可以發(fā)揮機(jī)械制造材料的修復(fù)作用。具體的工作流程首先將涂層填料安置于待修復(fù)材料表面，隨之展開對待修復(fù)部位的持續(xù)激光束熱源照射，借助激光的熱加工作用，促使待修復(fù)材料表面獲取持續(xù)的高功率熱量供給，從而在機(jī)械制造材料的表層結(jié)構(gòu)組織范圍出現(xiàn)熔化現(xiàn)象。通過高溫供給的方式，改變機(jī)械材料的物理性能，增強(qiáng)其高溫耐受性以及抗腐蝕性能，有效加深機(jī)械制造材料的高質(zhì)量使用效率。對于經(jīng)過表面修復(fù)的金屬材料較普通材料相比各項(xiàng)性能指標(biāo)都有顯著提升，有利于更好的為推進(jìn)我國機(jī)械制造行業(yè)的材料選擇進(jìn)程，全面的提高最終成品質(zhì)量。

2.4 激光切割

激光切割技術(shù)是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)將工件割開。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能夠獲得較好的切割質(zhì)量。該技術(shù)在汽車制造和航空領(lǐng)域的金屬材料加工都有廣泛應(yīng)用，同時(shí)，由于激光加工技術(shù)的包容性，對于某些特殊易碎材料的也發(fā)揮同樣的切割作用，如陶瓷、石英等;并且，由于激光束的精準(zhǔn)度較高，對于采用激光切割的零部件，在切割后不會出現(xiàn)像火焰切割、等離子切割的熱變形、噪音小、生產(chǎn)過程清潔無污染等，真正使金屬切割過程達(dá)到快速、精準(zhǔn)、環(huán)保、節(jié)能，金屬加工從此進(jìn)入自動(dòng)化、柔性化、智能化、高效化時(shí)代。

2.5 激光焊接

激光焊接的機(jī)械材料制造加工技術(shù)，通過借助激光束具有的熱源性能，對機(jī)械零部件進(jìn)行加熱升溫至熔點(diǎn)，促使表面接口處部位的局部熔化，從而有效銜接機(jī)械零部件機(jī)構(gòu)。由于激光焊接熱影響區(qū)小、加熱集中迅速、熱應(yīng)力低，因而在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體的封裝中，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性;在真空器件研制中，激光焊接也得到了應(yīng)用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1mm，采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)定性差，影響因素多而采用激光焊接效果很好，得到廣泛的應(yīng)用。由于該技術(shù)本身所具有的操作簡便且成品靈活性高的優(yōu)勢特點(diǎn)，所以在航空建設(shè)制造領(lǐng)域方面發(fā)揮顯著成效。從根本上填補(bǔ)了鉚接工藝的欠缺，在減輕飛機(jī)重量和有效節(jié)約生產(chǎn)成本方面發(fā)揮重要技術(shù)支持。

2.6 激光增材制造

傳統(tǒng)零件加工主要是減材制造，通過對工件切割、鉆、銑等加工方法去除部分材料，從而獲得一個(gè)三維物體形態(tài)。而激光加工技術(shù)的應(yīng)用，通過借助激光高功率水平，不斷對原材料施加相應(yīng)的能量，從而按照三維立體的模型數(shù)據(jù)信息，完成階段性的分層制造，最終實(shí)現(xiàn)三維立體的零部件實(shí)物。對于三維立體打印技術(shù)，根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行原理不同，可以從根本形式上劃分為兩種技術(shù)形態(tài)：一種是通過預(yù)先安置金屬粉末，采用高能激光束通過自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)金屬粉末的實(shí)時(shí)掃描，進(jìn)而加速金屬粉末熔化后再次成型過程。該過程被稱為激光選區(qū)熔化，另一種則是通過設(shè)置加工路徑，發(fā)揮激光束的攜帶作用，將金屬粉末送入機(jī)械制造器具，直接完成激光金屬的堆積成形工作。主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪導(dǎo)向器等的修復(fù)，通過有效的利用激光加工技術(shù)，解決了重載車輛發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸、高速列車車軸、大型壓縮機(jī)葉輪等典型裝備零件再制造技術(shù)難題，創(chuàng)造了顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

3 結(jié)語

隨著國產(chǎn)激光器的進(jìn)步、大功率光纖激光器應(yīng)用的成熟，國內(nèi)激光企業(yè)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的普及，以及配套控制軟件的優(yōu)化和三維及動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的完善，激光加工技術(shù)必然從目前主要集中于軍工，航天、汽車、手機(jī)等高附加值產(chǎn)業(yè)向其他行業(yè)擴(kuò)展，甚至可能像在鈑金行業(yè)中那樣成為行業(yè)材料加工手段的首選。其次考慮的激光的多樣性，可調(diào)性，可控性，激光加工技術(shù)必然會在越來越多的行業(yè)發(fā)揮出優(yōu)于傳統(tǒng)加工手段的的特點(diǎn)。如藍(lán)光、綠光、等不同波長的激光在有色金屬焊接上的優(yōu)異表現(xiàn)，如脈沖寬度在ps甚至fs量級的超快激光器在精密材料加工中的應(yīng)用，如與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合衍生出的飛行焊接、飛行打標(biāo)和柔性切割技術(shù)等，激光加工技術(shù)的普及和推廣必將推動(dòng)我國機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展，向智能加工和智能制造邁進(jìn)。

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