激光加工技術在工程機械制造中的應用淺析

陳章智

（廣東韶鋼工程技術有限公司，韶關 512123）

1 激光加工工藝應用現狀

工程機械領域制造的材料通常是厚鋼板，在切割、處理厚鋼板材時，利用激光工藝進行切割，精準度大于等離子切割方法，并且激光切割表面很光滑，在后續焊接時不用打磨就能夠直接焊接處理，所以激光切割器盡管投資很大，但在后續制造中省去打磨工序，就會節省成本[1]。相較于等離子切割器，激光加工工藝盡管早期投入很大，但后續消耗成本很低，隨著使用時間的增加，一臺大型激光切割器比一臺同型等離子切割器在運行耗能上要節省許多成本。

在一些發達國家，機械制造行業已經將激光加工工藝視為標準工藝，廣泛使用在工件切割作業中。

2 工程機械制造中激光加工工藝應用方式

2.1 切割方式

激光切割是使用高性能的激光束投射工件，令照射位置溫度急劇提高，工件氣化后蒸汽迅速排出，在輔助氣體的影響下排出液態材料及熔渣，產生切縫。

激光切割能用來處理鋼物質、鋁合金、鈦合金等工件，也能用來處理玻璃、陶瓷及塑料等物料。激光切割屬于無接觸制造，工件沒有機械變化；激光束對沒有激光照射的位置無影響或是影響很小，其熱影響的范圍小，材料熱變化小，切口細小，切縫外表光滑美好，切割性能好。同時，激光切割迅速，柔性大，能夠節約模具投資，減少加工成本。

2.2 焊接方式

激光焊接主要以激光作為熱源加熱材料，讓材料熔化完成連接。激光焊接是非接觸式連接，有時要求填充金屬，按照材料差異要采用適當的保護氣體，避免熔池變化。激光焊接迅速，靈活性大，幾乎無焊接變形，不用焊后熱加工。

在汽車領域，克萊斯勒企業最初把激光焊接用來連接變速箱齒輪，這是激光焊接在汽車行業中的第一次使用。美國福特汽車企業用激光連接齒輪輪盤鋼圈，并在排氣管、過濾器、轉動軸等汽車元配件制造中廣泛使用了激光焊接。焊接方式在汽車加工中的再一次使用為激光拼焊，指按照車體設計與性能要求的差別，把不同材料、不同厚度的材料拼焊為一個總體[2]。激光拼焊普遍使用在行李箱增強板、車門內板以及保險杠、中立柱等位置，該工藝的應用減小了車體重量，加大了剛度，優化了振動性能。此外，車門、頂蓋和側圍等車體總成及分總成也普遍采取激光焊接進行加工。

2.3 熔覆方式

激光熔覆主要是把粉末狀熔覆物料通過預置和同步模式放在基體外表，在高質量激光束的影響下，熔覆物料與基體外的表薄層熔化并迅速凝固進而出現一個外表改性涂層，這一涂層按照需要差異具備耐磨損、防腐蝕、抗高溫、抗氧化等特征。激光熔覆幾乎對基體沒有熱破壞、冷卻迅速，涂層晶粒細致，熔覆層稀釋較小，同基體是很好的冶金融合，粉末選取范圍很大，容易實現智能化。

激光熔覆目前主要使用在制造環節，來修復破損的產品與改性材料外表。如Rolls Royce企業最早利用激光熔覆方法對發動機實施硬面熔覆，大幅度提升了其硬度與抗磨損。美國AVCO企業對車輛排氣門熔覆了Stellite合金，加大了排氣門的抗磨損、防腐蝕與防沖擊能力，節約了制造成本。激光熔覆方法還能夠用作車輛換向器、齒輪等元部件加工。模具與軋輥加工方面也廣泛采用激光熔覆方法提高外表硬度、抗磨性、抗高溫等性能，延長使用時間。激光熔覆方法也成功用作修復發動器葉片、車輛曲軸、模具等元部件，修復后的元件性能能達到甚至超過新品，而成本卻大幅度降低。

2.4 激光增材加工

激光增材加工俗稱三維打印，主要能源是高功率激光，主要材料是合金粉末與絲材，根據3D模型信息分層加工，逐次累加，把CAD信息模型加工成3D實體元件。根據成形原理重點分為SLM與LMDF。SLM是先鋪好粉末，再以高能激光束根據預期的途徑掃描金屬粉末使之徹底融化，最后冷卻硬化成形。激光金屬成形后根據預期的加工途徑，采取激光束熔化同步輸送的金屬粉末再迅速凝固，逐次堆積成形。該種方式柔性高、沒有模具、加工流程短，能制造難溶、難切割、高活性工件，特別在結構繁瑣與薄壁元件制造中，元件整體力學性能良好。

3 結語

激光加工工藝在工程機械領域取得了廣泛使用，但個別技術在工件制作與力學性能上依舊存在瓶頸，諸多研究工作正陸續開展。總之，激光器與激光加工方法的發展使激光制造工藝有著良好的應用前景。