激光加工技術在五金刀剪行業中的應用分析

程 格，栗子林

（1.陽江職業技術學院，廣東 陽江 529500；2.陽江市五金刀剪產業技術研究院，廣東 陽江 529500）

1 我國五金刀剪的加工現狀

五金刀剪是與人類生活息息相關的工具。目前，五金刀剪的加工制作主要依靠傳統的制造方法，比如刀剪刀坯下料主要依靠開模沖壓與線切割，刀柄與刀體的連接采用電弧焊接方法或者手工TIG焊接，刀剪性能主要通過材料熱處理進行提高等。隨著人們生活水平的日益提高，傳統方法制造出的刀剪性能已無法滿足人們對高端刀剪使用性能的追求。

近些年來，激光加工技術發展迅速，國內的一些五金刀剪制造企業將激光加工技術應用到生產過程中，明顯提高了刀剪的使用性能，降低了企業的生產成本，提升了企業自身的市場競爭力。

2 先進激光加工技術的特點

激光技術是20世紀60年代興起的一門新興技術，主要是利用光的能量過透鏡聚焦，在焦點處達到很高的能量密度，靠光熱效應對材料進行加工處理[1]。目前，激光加工技術包括激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光淬火、激光表面合金化、激光表面非晶化、激光打標以及激光微加工等諸多技術，并在實際生產中獲得了廣泛應用[2]。

激光加工技術主要有以下優點：①局部區域加工。激光束作用區域范圍小，可以實現局部加工，同時對非激光照射部位影響極小，工件變形小。②非接觸加工。由于激光加工屬非接觸加工，加工過程中無刀具磨損，無外力作用于工件，同時由于激光束能量密度高、移動速度快，可以實現多種加工的目的。③加工靈活，易于實現自動化。激光束易于導向、聚焦實現各方向變換，通過與機器人等數控設備配合，加工方法靈活，自動化程度高。④加工材料范圍廣。激光加工不僅可以應用于金屬材料，還可以對非金屬材料進行加工，特別是對高硬度、高脆性材料，更能發揮其優勢。⑤加工效率高。由于激光束能量密度高，加工速度快，因此生產效率高，質量可靠，經濟效益好。

3 激光加工技術的主要應用

3.1 激光切割技術在五金刀剪行業的應用

傳統的刀剪切割下料主要依靠開模沖壓與線切割，生產周期長，后續處理工序多，甚至復雜形狀的刀剪產品及特種材料難以開模下料。將激光切割技術應用于五金刀剪行業，可以直接按照設計好的刀剪圖形進行切割下料，快速加工出新產品，效率高，并且可以解決上述傳統加工存在的各種問題。在刀剪新產品開發及加工特殊形狀刀剪時，激光加工效率高、不受形狀限制的優勢更能顯示出來。圖1為激光切割刀剪新產品，新產品的銳利尖角和特殊形狀是傳統開模沖壓加工方法無法實現的。

圖1 激光切割刀剪新產品

3.2 激光焊接技術在五金刀剪行業的應用

在五金刀剪行業，焊接應用場合主要有刀柄與刀體的焊接和將高端材料焊接到刀刃部位。通常采用TiG焊接方法，焊接熱輸入較大，造成焊縫的熱影響區晶粒粗大，力學性能較差，導致刀具在剁或拍的使用過程中很容易從焊接部分斷裂，影響刀具的使用壽命。激光焊接技術因其特有的技術優勢，如激光功率密度很高、焊接速度快、熱輸入小、焊縫熱影響區小、晶粒細小等，可以很好地解決上述刀具斷裂、焊縫區組織性能差等問題。激光焊接一般搭載在機床或機械手臂上進行移動工作，自動化程度比較高，將激光焊接應用到五金刀剪行業，可以大大提升刀具焊接效率，提高焊接質量穩定性，同時降低勞動力成本。目前，一些大型刀具企業已經將激光焊接技術引入刀具焊接過程中，焊接效率大大提高，焊接缺陷問題得到很好的改善，并取得了良好的經濟效益。

3.3 激光熔覆技術在五金刀剪行業的應用

“好鋼用在刀刃上”，刀具的性能決定于刀刃。激光熔覆技術是采用激光作為熱源，將粉末材料熔覆到材料表面，從而能提高材料的表面性能。因此，利用激光熔覆技術，將性能優異的粉末熔覆到刀刃表面，再通過打磨、拋光、開刃處理，從而顯著提高刀刃的綜合使用性能，其中，熔覆材料是影響激光熔覆刀刃綜合性能最基本的因素。目前，已開發出來的適合刀刃的金屬粉末材料種類很多，包括Ni基、Co基、Fe基以及Ti基等[3]。由于廚房刀具種類很多，包括菜刀、斬骨刀、片刀、水果刀、面包刀等，不同的刀具使用性能要求不一樣，可以根據不同刀具的使用用途，相應地選擇合適的粉末或粉末配方進行刀刃激光熔覆強化，從而使刀具獲得最佳的綜合性能。法國著名的TB集團已經采用激光熔覆技術成功地生產出了激光熔覆刀，并實現了產業化生產。圖2是陽江某研究機構成功開發的激光熔覆刀樣品，所用粉末配方是自主開發。經測試，刀具的鋒利度是傳統刀具的3倍以上，鋒利持久性是傳統刀具的4倍以上，市場前景廣闊。

圖2 激光熔覆刀圖

3.4 激光淬火技術在五金刀剪行業的應用

五金刀剪的刀刃一般是在高速旋轉的砂帶機或圓盤砂輪機上進行磨削開刃處理，由于旋轉速度快，熱量積累快，刀刃部位溫度升高后極易發生退火，直接影響刀刃的使用性能。而激光淬火技術通過把激光束匯聚，可以將淬火寬度控制得很小，這種局部強化處理的技術優勢可以在刀刃淬火上得到充分體現。由于刀刃部位寬度比較小（＜2 mm），且刀刃部位退火嚴重，利用激光淬火技術對刀刃局部進行強化處理，進而延長刀具的使用壽命。姜卓[4]利用半導體激光器對30Cr13馬氏體不銹鋼制作的手術刀刃的刀刃進行淬火處理，結果表明刀刃硬化層總深度達到0.62 mm（其中，頂端微熔區部分0.17 mm，有效硬化層深度0.45 mm），并且硬化層的硬度達到648HV0.1，比基體的硬度高出近100HV0.1，刀刃部位的硬度和耐磨性明顯提高，效果良好。

3.5 激光表面合金化技術的應用

激光表面合金化技術是利用高能量密度的激光束加熱材料表面，使材料表層和添加的合金元素熔化混合，形成新的高性能的表面合金層。姚建華[5]等采用大功率高速寬帶掃描的方法在不銹鋼刀刃表面進行激光合金化，結果表明，不銹鋼廚刀刃口的合金化層深度達到0.01～0.08 mm，顯微硬度為HV900～1 200，較強化前的硬度提高78.5%，耐磨性提高了2.5倍，同時，激光合金化層的硬度呈連續梯度過渡，通過激光合金化得到的回火區可以保持刃口韌性，大大提高了刀具的性能。

4 總結與展望

激光加工技術涉及材料科學、機械加工、自動化技術等，是一門綜合性很強的先進制造加工技術，一些相對成熟的激光加工技術已經應用到了刀具行業，并顯示出其巨大的技術優越性。隨著相關科研人員和工程技術人員的不斷努力，一些技術門檻更高的激光加工技術，比如激光表面納米化、激光表面非晶化、激光表面沖擊強化、激光微納造型等技術，也將逐漸應用到刀剪行業，并將對刀剪行業產生更加深遠的影響。

參考文獻：

［1］姚蔡翔.激光加工原理、應用現狀與展望［J］.山東工業技術，2013（15）：12-14.

［2］瞿偉成，楊博程，劉延輝，等.激光表面加工技術的發展與現狀［J］.熱加工工藝，2017（20）：38-41.

［3］董冬梅，陳菊芳，雷衛寧，等.激光熔覆的研究現狀［J］.熱加工工藝，2017（16）：9-13.

［4］姜卓.醫用不銹鋼器材激光淬火技術研究［J］.熱處理，2015，30（6）：37-40.

［5］姚建華，熊纓，陳智君，等.不銹鋼刀具刃口激光表面強化組織性能研究［J］.新技術新工藝，2002（3）：43-44.