激光技術(shù)在金屬材料加工工藝中的應(yīng)用探析

摘 要：激光技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用的水平是標(biāo)志一個國家現(xiàn)代化程度的高級技術(shù)之一。激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等的一門技術(shù)。如今，激光加工作為先進(jìn)制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、電器、航空、電子、冶金、機(jī)械制造等重要部門。就激光技術(shù)的優(yōu)勢、常見的激光技術(shù)以及在金屬材料加工工藝中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率和減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；工藝；加工

激光加工是一種新興的先進(jìn)制造技術(shù)，具有自己的特色與規(guī)律，經(jīng)過多年的積淀形成了激光加工理論和各種激光加工工藝參數(shù)。隨著世界科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，激光技術(shù)有了迅速發(fā)展。激光與普通光相比具有單色性、相干性、方向性和高光強(qiáng)。同樣激光加工設(shè)備也涉及到眾多學(xué)科因而決定了它的高科技性和高收益率。縱觀國際和國內(nèi)激光應(yīng)用場情況經(jīng)過多年來的研究開發(fā)和完善，當(dāng)代的激光器和激光加工技術(shù)與設(shè)備已相當(dāng)成熟形成系列激光加工工藝。

1 激光技術(shù)優(yōu)勢分析

1.1 加工速度快，效率高

激光切割是當(dāng)前各國應(yīng)用最多的激光加工技術(shù)，在國外許多領(lǐng)域，例如，汽車制造業(yè)和機(jī)床制造業(yè)都采用激光切割進(jìn)行鈑金零部件的加工。在航天工業(yè)中，鋁合金用激光焊接的成功應(yīng)用是飛機(jī)制造業(yè)的一次技術(shù)大革命。在汽車工業(yè)中，激光加工技術(shù)優(yōu)化了汽車結(jié)構(gòu)，提高了汽車性能，降低了耗油量。激光精加工和微加工不但促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展，也為制造行業(yè)提供了有利條件。隨著大功率激光器光束質(zhì)量的不斷提高，激光切割的加工對象范圍之廣，幾乎包括了所有的金屬和非金屬材料。例如，可以利用激光對高硬度、高脆性、高熔點的材料，進(jìn)行形狀復(fù)雜的三維立體零件切割，這也正是激光切割的優(yōu)勢所在。由于激光加工技術(shù)的高效率、無污染、高精度、熱影響區(qū)小，因此在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。另外，激光切割的優(yōu)點還包括設(shè)置時間短，對不同工件和外形具有很好的適應(yīng)性。

1.2 精準(zhǔn)率高，無污染

激光焊接激光焊接是將光斑非常細(xì)小高強(qiáng)度的激光照射到工件表面，通過激光與物質(zhì)的相互作用，使作用區(qū)域內(nèi)的母材局部快速熔化、汽化，實現(xiàn)焊接。與傳統(tǒng)的加工熱源相比，激光具有高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等特點，因此，激光加工是一種新型的高能束流加工技術(shù)，對提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化和無污染，以及減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。例如，3D激光切割技術(shù)是加工高強(qiáng)鋼最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)。激光切割適合高強(qiáng)鋼加工毛邊過程。對于這種加工，3D激光切割尤其適合這種已經(jīng)成型的金屬薄板。如果鋼的強(qiáng)度達(dá)到1500MPa，就只能采用激光切割技術(shù)才能實現(xiàn)，沒有其他更經(jīng)濟(jì)的方法可以選擇。另外，對于激光切割而言，低熱輸入是激光切割中一個非常重要的特點，因為一些合金的高強(qiáng)特性會由于熱效應(yīng)而導(dǎo)致性能降低。激光能焊接以前由于不可視原因而無法焊接的部位（例如，車頂側(cè)板和后擋板的結(jié)合）。激光焊接同樣是一種變形很小的高質(zhì)量焊接，能夠達(dá)到很高的精度。另外，激光焊接相比電阻點焊能夠減小焊縫寬度，這再一次降低了重量和燃油消耗。

2 激光技術(shù)在金屬材料加工工藝中的應(yīng)用

2.1 激光切割

激光是用聚焦鏡將激光束聚焦在材料表面，使材料熔化，同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動，從而形成一定形狀的切縫。激光切割是當(dāng)前各國應(yīng)用最多的激光加工技術(shù)，在國外許多領(lǐng)域，例如，汽車制造業(yè)和機(jī)床制造業(yè)都采用激光切割進(jìn)行鈑金零部件的加工。激光可切割的材料很多，包括有機(jī)玻璃、木板、塑料等非金屬板材，以及不銹鋼、碳鋼、合金鋼、鋁板等多種金屬材料。激光切割無需刀具和模具在計算機(jī)控制下，可直接實現(xiàn)二維、三維上任意形狀的板類和殼體類零件的柔性加工。同時，激光切割也是應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來實現(xiàn)的。在計算機(jī)的控制下，通過脈沖使激光器放電，從而輸出受控的重復(fù)高頻率的脈沖激光，形成一定頻率，一定脈寬的光束，該脈沖激光束經(jīng)過光路傳導(dǎo)及反射并通過聚焦透鏡組聚焦在加工物體的表面上，形成一個個細(xì)微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬間高溫熔化或氣化被加工材料。與傳統(tǒng)的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割質(zhì)量、高的切割速度、高的柔性、廣泛的材料適應(yīng)性等優(yōu)點。精度高，其定位精度0.05mm，重復(fù)定位精度0.02mm；速度快：切割速度可達(dá)10m/min，最大定位速度可達(dá)70m/min，比線切割的速度快很多。不受被切材料的硬度影響：激光可以對鋼板、不銹鋼、鋁合金板、硬質(zhì)合金等進(jìn)行加工，不管什么樣的硬度，都可以進(jìn)行無變形切割。

2.2 激光焊接

激光切割是利用高功率密度的激光束掃描過材料表面，在極短時間內(nèi)將材料加熱到幾千至上萬攝氏度，使材料熔化或氣化，再用高壓氣體將熔化或氣化物質(zhì)從切縫中吹走，達(dá)到切割材料的目的。激光焊接的特點及應(yīng)用激光焊接是一種高速度、非接觸、變形極小的焊接方式，非常適合大量而連續(xù)的在線加工。適合于精密件、箱體件和有密封要求焊接件的加工。激光束經(jīng)聚集后可獲得很小的光斑，且能精密定位可應(yīng)用于大批量自動化生產(chǎn)，不僅生產(chǎn)效率大大提高且熱影響區(qū)小焊點無污染大大提高了焊接的質(zhì)量。隨著激光設(shè)備和加工技術(shù)的發(fā)展，激光焊接能力也在不斷增強(qiáng)。焊接速度高、焊縫小、焊接熔深大、熱影響區(qū)窄，焊接變形小、在操作過程中無污染是它的主要優(yōu)點。采用激光掃描焊接工藝可以實現(xiàn)任何焊接曲線，使車身結(jié)構(gòu)具有更大的靈活性，并且可以根據(jù)特殊的焊接強(qiáng)度進(jìn)行定制。主要有激光與電弧、等離子弧、高頻感應(yīng)熱源復(fù)合焊接以及雙激光束焊接等。另外，激光掃描焊接提供了更高的生產(chǎn)率、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)效果，它特別適用于一個構(gòu)件要求多道短的搭接焊，這種方式也被稱為遠(yuǎn)程焊接。這種高動態(tài)焊接技術(shù)通過掃描振鏡引導(dǎo)激光束到工件進(jìn)行焊接，移動工件或者焊接頭的時間變得很短。因此客戶能選擇一系列的焊接工藝而幾乎沒有浪費時間，使熱輸入和變形最小，而加工時間能被縮短70%以上。

3 結(jié)束語

總之，激光技術(shù)這項蓬勃發(fā)展的新型技術(shù)，不僅被大規(guī)模地應(yīng)用在汽車、材料加工、機(jī)械制造、電氣儀表、航空航天、等諸多工業(yè)領(lǐng)域，并且融入到了人民大眾的日常生活，更是為工業(yè)時代帶來了無限的商機(jī)。隨著激光加工技術(shù)、設(shè)備、工藝研究的不斷深入，將具有更廣闊的應(yīng)用前景。