激光加工技術在機械制造中的應用分析

田曉猛

摘 要： 激光加工技術在機械制造中的應用能夠大大增強加工材料以及零部件的性能，有效提升機械制造的效率和質量，進一步縮短機械制造的時間，在很大程度上降低了機械制造的成本，對制造企業經濟效益的全面提升有非常大的促進作用。本文從機械制造中常用的幾種激光加工技術著手，闡述了這些技術實際應用原理和效果，以供相關人員參考。

關鍵詞： 激光加工；機械制造；激光熔覆；激光切割

最近幾十年來，各個領域的科學技術不斷取得突破，其中激光加工技術飛速發展，目前已經在很多領域取代了人工加工工藝。在機械制造過程中應用激光加工技術，能夠對各種材料進行加工和處理，在提高材料性能的同時，也相應促進了激光加工技術的進一步發展。激光加工技術憑借諸多優勢，已經廣泛應用在現代機械制造領域中，對機械制造類企業的快速發展有十分重要的現實意義。

1.激光加工技術的基本原理

通過科學實驗可以充分了解激光的形成原理，實驗人員利用特定工具將光能或電能撞擊到某些晶體或原子內易激發物質上，這些原子攜帶的電子會處在高能量狀態，而后在高能量轉化成低能量的過程中，原子會產生更多的能量，從而釋放出光子。這些光子又再次撞擊原子，原子就隨之產生光子，在此循環過程中，光子集中朝統一方向運行，形成具有強大能量的光，也就是激光。激光能量極強，能夠輕松穿透多種材料。比如，眾所周知的紅寶石激光，其輸出脈沖的所有能量尚不能加熱冷水到沸點，但其能穿透5毫米厚的鋼板。由此可知，雖然激光的光能普通，但其功率密度非常高，具有極強的穿透能力，遠超普通光束的性能，所以，激光加工技術被廣泛應用在機械制造等諸多領域中。

2.激光加工技術在機械制造中的應用

2.1激光處理技術在機械制造中的應用

在機械材料處理過程中常用的激光加工技術有熱處理技術和表面強化技術兩種，這兩種技術的應用能夠使機械材料表面溫度快速升高，在即將達到熔點時就促使材料形態迅速發生改變，以實現對材料表面的處理。激光加工技術是在過去熱處理技術的基礎上發展過來的，機械材料被激光處理后，材料的耐腐蝕性以及抗疲勞性等多種性能都得到進一步增強，并且材料的使用年限也相應延長。激光加工技術在工件表面處理中的應用，在很大程度上提升了材料的物理特性，對提高產品質量有非常大的促進作用。

激光加工技術不僅可以獨自應用，還能與其他技術有效結合，從而形成新的材料處理方式。比如，激光技術與CAD技術的有機結合，就在材料處理方面開辟了一條新的途徑。技術人員在計算機系統中利用CAD技術來控機械設計流程，對零部造型進行合理設計，然后在此基礎上利用激光技術進行加工和處理。利用CAD技術設計出的零部件造型的精確度非常高，能夠有效簡化零部件的制造流程，從而降低其制造難度。同時若零部件造型設計存在缺陷，還可以利用CAD進行及時修改修正，以提高產品的完美程度。

2.2激光熔覆技術在機械制造中的應用

激光熔覆技術是通過各種填料方式將相關涂層材料布設在材料表面，利用激光照射促使材料表面薄層與涂層材料在同一時間熔化，以有效增強材料的耐熱耐磨等多種性能。不少材料在進行表面處理后，其硬度可達到處理前的很多倍。例如，利用碳鎢激光熔覆技術對60號鋼進行有效處理后，其硬度能超過2200維氏硬度，耐腐蝕性能也提高到處理前的二十倍左右。

現階段，激光熔覆技術主要用于損壞工件的修復以及材料表面改性。英國勞斯萊斯公司很早就利用激光熔覆技術來改善汽車發動機性能，在很大程度上提高了發動機的硬度與耐磨性能。美國AVCO公司利用激光熔覆技術對汽車排氣門合金熔覆處理，極大地增強了排氣門的耐腐蝕性以及抗沖擊能力，并且有效降低生產成本。激光熔覆技術還能在汽車齒輪以及換向器等零部件的加工制造過程中有效應用。近幾年，激光熔覆技術在汽車曲軸以及發動機葉片的修復處理中取得了突破，利用該技術修復過的零部件性能都能與新產品相媲美，并且其修復成本也相對降低了很多。

2.3激光切割技術在機械制造中的應用

激光切割技術在機械制造中的應用原理與激光熔覆技術沒有太大差異，也是利用激光的高能激光束對工件進行照射，使其迅速升溫。不同之處在于，激光切割技術是持續加熱材料直到氣化，產生的蒸汽迅速外排，或將材料熔化后利用特定氣體將液態材料及其熔渣排出，從而在材料上形成切縫。激光切割技術不僅能夠應用在多種合金材料或鋼材的加工過程中，還能應用在陶瓷、塑料等非金屬材料的加工中。在利用激光切割技術對材料進行加工時，激光束幾乎不會影響其他非照射部位，也就是說其熱影響的面積較小，工件幾乎不會發生熱變形情況。同時，該技術切割后的切口細小，切縫面光滑，切割質量良好。

在汽車制造領域，激光三維切割技術已經完全取代了過去的沖孔與修邊模工藝，使車身覆蓋件的生產時間大大縮短。我國的工程機械制造領域中，徐工集團等也都先后引進了大幅面激光切割機。另外，激光切割技術在航空制造領域中的飛機框架、機翼長桁等部件制造加工中也得以廣泛應用。

2.4激光焊接技術在機械制造中的應用

激光能夠在瞬間釋放出極高的熱能，而激光焊接技術就是利用激光的這種高熱性能加熱工件，來熔化材料而進行焊接連接的。激光焊接技術是一種非接觸式焊接，在一定情況下要添加一定的金屬填料，根據不同的材料質地采用相應的保護氣體，以避免熔池發發生氧化現象。激光焊接技術在焊接靈活度和速度方面有很大優勢，利用該技術焊接過的工件基本不會出現變形問題，在焊接后無需進行熱處理。

激光焊接技術在航空領域中應用較為普遍，在焊接鋁合金方面已經完全取代了過去的鉚接技術，從而能將航空器重量降低兩成左右，而相應的成本支出也減少了至少兩成。歐洲空中客車公司將激光焊接技術應用在飛機制造中，成功提高了飛機制造的效率和質量，為公司帶來了很大的經濟效益，引發了航空制造領域的技術革命。而我國的研發人員也研發出雙光束激光填絲復合焊接設備，能夠對大型薄壁結構T型接頭進行雙光束雙側同步焊接，并在一些航空器的帶金壁板重要構件的焊接過程中成功應用了該技術，為我國的航空制造也做出了極大貢獻。

2.5激光增材制造技術在機械制造中的應用

目前在市場上廣泛流傳的3D打印技術實際上是激光增材制造的別稱，該技術利用大功率的激光高能量源，以合金粉末或絲材作為原料，通過三維模型數據進行分層加工制造，一層層累積疊加，從而把CAD數字模型轉化加工為三維實體零件。從該技術的應用原理來看，可劃分為激光選區熔化工藝以及激光金屬直接成形工藝。前者是首先把粉末鋪設好，其次通過高能量激光束根據設定好的路徑對金屬粉末進行掃描，促使其快速熔化，最后冷卻凝固成形。后者是根據設定好的加工路徑，通過激光束把一起送入的金屬粉末快速熔化并迅速凝固，這樣一層層疊加最終成形。激光增材制造技術的優勢在于加工制造過程不需要模具，加工流程相對較短，并且該技術的柔性非常高，可用于高活性、難切削以及難熔類的材料加工，還能用于結構復雜的薄壁零件加工，經過該技術加工后的零部件各方面性能都相對較強。

總之，激光加工技術在機械制造中的應用，能夠為機械制造類企業生產出更多質量更高的產品提供很大支持，是目前機械制造領域不可或缺的重要加工技術。機械制造類企業要高度重視激光加工技術類人才的培養，加大對激光加工技術的研發力度，以通過技術的提升來完成企業的轉型升級，從而實現企業的健康、可持續發展。

參考文獻

[1]趙元安， 胡國行， 劉曉鳳，等. 激光預處理技術及其應用[J]. 光學精密工程， 2016， 24（12）：2938-2947.

[2]常成， 劉建永， 楊偉，等. 激光熔覆技術及其在汽車工業中的應用[J]. 湖北汽車工業學院學報， 2016， 30（2）：49-53.

[3]王新明， 孫有亮， 陳立偉，等. 對激光切割技術在國內外發展現狀的研究[J]. 現代商貿工業， 2017（16）：176-177.