激光技術在金屬材料加工工藝中的應用探析

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

關鍵詞：激光技術；工藝；加工

激光加工是一種新興的先進制造技術，具有自己的特色與規律，經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。隨著世界科技與經濟發展的需要，激光技術有了迅速發展。激光與普通光相比具有單色性、相干性、方向性和高光強。同樣激光加工設備也涉及到眾多學科因而決定了它的高科技性和高收益率?？v觀國際和國內激光應用場情況經過多年來的研究開發和完善，當代的激光器和激光加工技術與設備已相當成熟形成系列激光加工工藝。

1 激光技術優勢分析

1.1 加工速度快，效率高

激光切割是當前各國應用最多的激光加工技術，在國外許多領域，例如，汽車制造業和機床制造業都采用激光切割進行鈑金零部件的加工。在航天工業中，鋁合金用激光焊接的成功應用是飛機制造業的一次技術大革命。在汽車工業中，激光加工技術優化了汽車結構，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了工業的發展，也為制造行業提供了有利條件。隨著大功率激光器光束質量的不斷提高，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，進行形狀復雜的三維立體零件切割，這也正是激光切割的優勢所在。由于激光加工技術的高效率、無污染、高精度、熱影響區小，因此在工業中得到廣泛應用。另外，激光切割的優點還包括設置時間短，對不同工件和外形具有很好的適應性。

1.2 精準率高，無污染

激光焊接激光焊接是將光斑非常細小高強度的激光照射到工件表面，通過激光與物質的相互作用，使作用區域內的母材局部快速熔化、汽化，實現焊接。與傳統的加工熱源相比，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，對提高產品質量和勞動生產率，實現生產的自動化和無污染，以及減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。例如，3D激光切割技術是加工高強鋼最經濟的技術。激光切割適合高強鋼加工毛邊過程。對于這種加工，3D激光切割尤其適合這種已經成型的金屬薄板。如果鋼的強度達到1500MPa，就只能采用激光切割技術才能實現，沒有其他更經濟的方法可以選擇。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特性會由于熱效應而導致性能降低。激光能焊接以前由于不可視原因而無法焊接的部位（例如，車頂側板和后擋板的結合）。激光焊接同樣是一種變形很小的高質量焊接，能夠達到很高的精度。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 激光技術在金屬材料加工工藝中的應用

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。激光切割是當前各國應用最多的激光加工技術，在國外許多領域，例如，汽車制造業和機床制造業都采用激光切割進行鈑金零部件的加工。激光可切割的材料很多，包括有機玻璃、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控制下，可直接實現二維、三維上任意形狀的板類和殼體類零件的柔性加工。同時，激光切割也是應用激光聚焦后產生的高功率密度能量來實現的。在計算機的控制下，通過脈沖使激光器放電，從而輸出受控的重復高頻率的脈沖激光，形成一定頻率，一定脈寬的光束，該脈沖激光束經過光路傳導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。與傳統的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割質量、高的切割速度、高的柔性、廣泛的材料適應性等優點。精度高，其定位精度0.05mm，重復定位精度0.02mm；速度快：切割速度可達10m/min，最大定位速度可達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、硬質合金等進行加工，不管什么樣的硬度，都可以進行無變形切割。

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從切縫中吹走，達到切割材料的目的。激光焊接的特點及應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。激光束經聚集后可獲得很小的光斑，且能精密定位可應用于大批量自動化生產，不僅生產效率大大提高且熱影響區小焊點無污染大大提高了焊接的質量。隨著激光設備和加工技術的發展，激光焊接能力也在不斷增強。焊接速度高、焊縫小、焊接熔深大、熱影響區窄，焊接變形小、在操作過程中無污染是它的主要優點。采用激光掃描焊接工藝可以實現任何焊接曲線，使車身結構具有更大的靈活性，并且可以根據特殊的焊接強度進行定制。主要有激光與電弧、等離子弧、高頻感應熱源復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率、適應性和經濟效果，它特別適用于一個構件要求多道短的搭接焊，這種方式也被稱為遠程焊接。這種高動態焊接技術通過掃描振鏡引導激光束到工件進行焊接，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 結束語

總之，激光技術這項蓬勃發展的新型技術，不僅被大規模地應用在汽車、材料加工、機械制造、電氣儀表、航空航天、等諸多工業領域，并且融入到了人民大眾的日常生活，更是為工業時代帶來了無限的商機。隨著激光加工技術、設備、工藝研究的不斷深入，將具有更廣闊的應用前景。