激光技術(shù)在金屬材料加工工藝中的應(yīng)用

陳揚(yáng)

摘要：目前，激光技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬材料加工工藝中，屬于新型高能加工技術(shù)，效率高，操作簡(jiǎn)單，而且無(wú)污染。其 種類也在不斷增多，激光技術(shù)使用光斑直接聚焦在金屬材料上，并熔化金屬材料，保證激光束可以沿著設(shè)定好的軌跡切割。 不同的激光技術(shù)具有不同的特點(diǎn)，技術(shù)人員需要結(jié)合金屬材料的特點(diǎn)和實(shí)際需求來(lái)選擇激光技術(shù)，保證激光技術(shù)應(yīng)用的合理 性。本文探討了激光技術(shù)在金屬材料加工工藝中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；金屬材料；加工工藝；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TG456.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3178（2018）06-0117-01

激光技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)手段，激光技術(shù)以其獨(dú)特的特點(diǎn)在 材料加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。激光材料加工時(shí)利用激光的單色 性、相干性和平行性的特點(diǎn)，在材料的局部形成高溫，達(dá)到對(duì)材料 進(jìn)行加工的目的。激光材料加工技術(shù)具有工作效率高，加工精度高 等優(yōu)點(diǎn)，在金屬材料加工中起到了獨(dú)特的作用。

1 激光加工技術(shù)的特點(diǎn)

現(xiàn)如今，激光主要作為一類相干光源，通常具有相干性以及單

色性等重要特點(diǎn)，一般方向性好，且能量整體密度高。此外，當(dāng)前 激光束如果聚焦在被加工材料前表面的某一特定點(diǎn)時(shí)，其所包含的 光能會(huì)瞬時(shí)逐步轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而出現(xiàn)上萬(wàn)攝氏度的高溫，此時(shí)此 刻就算再堅(jiān)固無(wú)比的材料也會(huì)無(wú)法忍耐高溫而熔化。與此同時(shí)，溫 度會(huì)不斷升高，且材料出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，使被切除的部分產(chǎn)生小孔洞， 且余料會(huì)在整個(gè)汽化過(guò)程中逐步被蒸發(fā)，且沒(méi)有一點(diǎn)剩余。激光加 工材料的過(guò)程實(shí)際上是待加工材料局部因溫度急劇迅速升高持續(xù)發(fā) 生液化和汽化現(xiàn)象的過(guò)程。

激光加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的鈑金加工方法難以完成的零件加 工。當(dāng)要在一個(gè)箱體較大的鋼件上鉆許多大小不一的孔時(shí)，傳統(tǒng)鈑 金工藝方法無(wú)法做到，但激光加工技術(shù)就能夠輕松完成。而且，在 連續(xù)加工同樣的零件時(shí)，激光加工技術(shù)比傳統(tǒng)工藝技術(shù)的準(zhǔn)確度更 高，速度更快，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。

在二維平面中，激光加工更有柔性。例如在使用激光切割機(jī)切 割時(shí)，工件是固定的，切割機(jī)的割頭是可移動(dòng)的，這樣不僅可以避 免加工出現(xiàn)死角，提高加工材料的利用率，還能夠簡(jiǎn)化加工設(shè)備。 激光加工設(shè)備不是靠控制零件、設(shè)置模具或改變加工路線來(lái)進(jìn)行加 工的，而是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體控制來(lái)完成的，因此，激光加工工藝 中不存在刀具的磨損、變形等問(wèn)題，過(guò)程可以能夠通過(guò)數(shù)控來(lái)完成， 而且完成精度高，質(zhì)量好。

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

激光技術(shù)使用光斑直接聚焦在金屬材料上，并熔化金屬材料，

同時(shí)使用激光束氣體把融化掉的金屬材料吹走，保證激光束可以沿 著設(shè)定好的軌跡切割，形成整齊的縫隙。激光切割技術(shù)是應(yīng)用最廣 泛的激光技術(shù)，激光切割材料包括以下幾類：一是有機(jī)玻璃，二是 木板，三是塑料，四是不銹鋼，五是碳鋼，六是合金鋼，七是鋁板。 在應(yīng)用激光技術(shù)的過(guò)程中并不需要使用刀具，激光技術(shù)完全在計(jì)算 機(jī)的操控下，可以實(shí)現(xiàn)任意形狀的切割。激光切割實(shí)際上就是應(yīng)用 高功率密度來(lái)實(shí)現(xiàn)切割任務(wù)。在計(jì)算機(jī)的操控下，激光器通過(guò)脈沖 放電，并輸出激光，產(chǎn)生一定的頻率和光束，光束又通過(guò)傳到聚焦 在被切割的金屬材料上，進(jìn)而形成多個(gè)光斑。相比于傳統(tǒng)的切割技 術(shù)，激光切割技術(shù)具有以下特點(diǎn)：一是切割質(zhì)量高，二是切割速度 快，三是柔性高，四是適應(yīng)性強(qiáng)。激光切割技術(shù)的精準(zhǔn)度非常高， 精準(zhǔn)度控制在 0.05mm，速度可以達(dá)到每秒切割 10 米，而且不會(huì)受 到金屬材料硬度的影響。

2.2 激光打孔

激光打孔是一項(xiàng)比較傳統(tǒng)，且較為實(shí)用的激光材料加工技術(shù)，

相比于其他技術(shù)，這種加工技術(shù)不僅具有較高的精度和效益等特點(diǎn)， 也在應(yīng)用發(fā)展中逐漸成為了該行業(yè)的至關(guān)重要的技術(shù)元素。

在 20世紀(jì)末，激光打孔技術(shù)得到了飛速發(fā)展，并逐漸呈現(xiàn)出了 較為顯著的多元化發(fā)展趨勢(shì)，而隨著相關(guān)技術(shù)、工藝的不斷更新完 善，隨著孔徑的逐漸縮小，性能也隨之不斷提升。在我國(guó)，該技術(shù) 的發(fā)展歷史也相對(duì)較長(zhǎng)，最早用于20世紀(jì)60年代的鐘表制造行業(yè)， 并取得了一定的應(yīng)用發(fā)展成就，但相比于諸多國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)講， 我國(guó)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用、研發(fā)還存在著較大差距。當(dāng)前，很多發(fā)達(dá)國(guó)家將激光打孔技術(shù)科學(xué)、廣泛地應(yīng)用到了醫(yī)藥、飛機(jī)制造以及食 品加工等領(lǐng)域，并為其帶來(lái)了相對(duì)較大的精神、物質(zhì)財(cái)富。

2.3 激光打標(biāo)

激光打標(biāo)技術(shù)作為一項(xiàng)應(yīng)用性較強(qiáng)的相關(guān)材料加工技術(shù)，主要

是通過(guò)較高的能量與密度的激光，來(lái)對(duì)局部的工部件進(jìn)行照射，并 對(duì)汽化、液化等化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行科學(xué)利用，以此來(lái)將相關(guān)標(biāo)識(shí)永久性 地留在工部件的表面。就目前來(lái)看，該技術(shù)在金屬制造行業(yè)領(lǐng)域的 應(yīng)用最廣泛，如，刃具、軸承等金屬制品的打印標(biāo)記對(duì)激光達(dá)標(biāo)技 術(shù)的依賴性都很強(qiáng)。同時(shí)，該技術(shù)也能夠在不影響晶體性能的基礎(chǔ) 上，實(shí)現(xiàn)看似無(wú)法完成標(biāo)記打印。另外，在社會(huì)科技快速發(fā)展背景 下，一些大理石、陶瓷等非金屬制品的達(dá)標(biāo)也可以采用激光打標(biāo)技 術(shù)來(lái)進(jìn)行，而隨著近幾年，激光系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，也在某種程度上 拓展了標(biāo)記深度，也進(jìn)一步提升了標(biāo)記質(zhì)量。并且，作為一種較為 新穎、先進(jìn)的產(chǎn)品防偽手段，激光打標(biāo)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展也得到了社 會(huì)各界的廣泛重視。

2.4 激光焊接

依據(jù)服務(wù)對(duì)象和使用器件的不同，激光焊接主要包括兩種類型

的機(jī)制，一種是深熔焊，主要應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)；另一種是傳導(dǎo) 焊，主要應(yīng)用于電子電氣行業(yè)。

從目前的發(fā)展態(tài)勢(shì)看，激光焊接技術(shù)不斷滲透到汽車行業(yè)，為 行業(yè)發(fā)展提供了必要的技術(shù)支撐。具體而言，這種應(yīng)用主要體現(xiàn)在 以下兩個(gè)方面：首先，傳動(dòng)件焊接。當(dāng)前，激光焊接技術(shù)可滿足汽 車傳動(dòng)系統(tǒng)中 70%的零件的焊接需求。與其它焊接技術(shù)相比，激光 焊接不僅可以提高零件的使用壽命，而且可以降低零件的使用成本，

體現(xiàn)出其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。其次，焊接組合件。簡(jiǎn)單地說(shuō)，焊接組 合件就是將分散的平板工件焊接成體、沖壓成形。通過(guò)焊接組合件， 既可以減少工件數(shù)量，也可以提高部件性能，還可以減輕車體重量， 進(jìn)而優(yōu)化汽車的整體性能。

2.5 激光表面熱處理

激光表面熱處理主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是激光表面硬化。在

激光表面硬化的作用下，馬氏體的量會(huì)不斷增加，進(jìn)而導(dǎo)致零部件 疲勞強(qiáng)度和耐磨性能的不斷提高。同樣是AISIl045 型鋼，在未經(jīng)處 理以前，鋼的硬度僅為HRC35，而質(zhì)量損耗卻高達(dá) 418mg。而在同等 條件下，激光表面硬化會(huì)增加 HRC20 的硬度，同時(shí)降低 304mg 的能 耗。可見(jiàn)，激光表面硬化會(huì)極大地提高物件硬度，降低物件質(zhì)量損 耗。現(xiàn)如今，激光表面硬化已不同程度地應(yīng)用于汽車錠桿、凸輪軸、 曲軸、缸套等物件的制造。從實(shí)際效果看，它不僅提高了物件的使 用壽命，而且降低了物件的制造成本。二是激光熔覆與合金化。激 光熔覆與合金化是以提升熔點(diǎn)的方式來(lái)增強(qiáng)加工材料的抗蝕性和耐 磨性。該處理主要應(yīng)用于熔點(diǎn)較低的材料。通過(guò)處理，使材料生成 高熔點(diǎn)合金層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升材料性能的目的。盡管激光熔覆與合 金化有所區(qū)別，如涂層化學(xué)成分的變化趨向，但兩者相輔相成，都 是現(xiàn)實(shí)中不可或缺激光表面熱處理方式。當(dāng)前，激光熔覆與合金化 主要應(yīng)用于氣門、閥門、齒輪齒面、鑄鐵模具等工件制造，為工件 質(zhì)量提供了著實(shí)的保障。

綜上所述，隨著社會(huì)工業(yè)的不斷發(fā)展以及激光加工技術(shù)的進(jìn)步， 激光加工技術(shù)必然會(huì)成為金屬加工技術(shù)應(yīng)用中的重要加工手段，因 此，值得廣大同行的關(guān)注與重視，在實(shí)際生產(chǎn)中予以大力的推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡騏遠(yuǎn). 激光技術(shù)在材料加工中的應(yīng)用研究[J]. 信

息記錄材料. 2018（01）

[2] 韓仲夏. 激光技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用[J]. 無(wú) 線互聯(lián)科技. 2018（08）