激光加工技術在工程機械制造中的應用研究

尹桂敏

（長春大學機械與車輛工程學院，吉林 長春 130022）

工程機械制造業在當今中國迅速發展，在國際上也有相當大的發展前景。而我國的工程機械制造業在世界上已經嶄露頭角，為了進一步鞏固我國工程機械制造強國的地位，我們也應當對使用的技術進行改良。所以，將激光加工技術應用于工程機械制造中勢在必行，這能夠有效的提高工程機械制造的精度和質量，而且擁有很好的應用前景。

1 激光加工技術的基本原理和技術優勢

激光加工技術是一項運用了光學、機械、電學等綜合、先進的加工技術，是21世紀的萬能加工工具。激光加工技術的發展大大推進了整個機械制造業的迅速發展，那么將激光加工技術應用于工程機械制造領域，依靠的基本原理和技術優勢又有哪些，接下來我們就激光加工技術的基本原理和技術優勢進行研究。

1.1 基本原理

激光實質就是原子在電流等能量的撞擊作用下射出的、攜帶一定能量的、集中朝向某個方向的光子術，光子與原子連鎖反應將會產生極高的能量。這種包含著極高能量的激光束照射到工件的表面，在計算機數控的技術下，組成具有機械加工性能的自動化加工設備，以激光的高能，對金屬或非金屬材料進行切割、焊接、打孔等，具有很高的加工精度的工程機械制造。激光加工技術已經成為當前機械制造行業的關鍵技術。

1.2 技術優勢

激光加工技術是目前最先進的加工技術。它主要使用高效激光雕刻和切割材料。主要設備包括電腦和激光切割機。激光加工技術被廣泛使用，加工對象包括幾乎所有的金屬材料和非金屬材料；適合于精密加工，精確細致；激光加工技術操作簡單，加工速度快，加工周期短；激光加工技術安全可靠，不會對材料造成機械壓力；激光加工技術成本低廉，不需要大的模具；另外激光切割的切割縫隙小，切割面光滑，而且熱變形性小；激光加工技術使用計算機編程來最大限度地節省材料。激光加工技術非常適合新產品的開發，非常快速的獲得新產品。傳統的加工方法已經落后于現在的發展潮流，激光加工技術具有相當多的優點，激光加工技術的應用前景十分廣泛。

2 激光加工技術在工程機械制造中的應用

激光加工技術包括激光鉆孔技術、激光熱處理技術、激光熔覆技術、激光切割技術、激光打標技術、激光焊接技術和激光快速成型技術。其中最熟悉和最廣泛使用的是前4個。在這里，我們還討論了工程機械制造的前4個應用。

2.1 激光切割技術在工程機械制造中的應用

激光切割技術使用高能量、高密度的激光束照射工件，這樣一來照射溫度急劇增加。在材料蒸發后，蒸汽迅速排出或熔化，然后在輔助氣體的作用下排出。材料和爐渣形成間隙。從20世紀70年代開始，激光切割技術已成為工業材料切割突出的加工方法，當然激光器和數控技術更是不斷改進和發展。

不同的材料具有不同的切割技術和方法。這種激光設備在切割時使用的激光束可以聚焦成很小的光點，可以使激光切割機達到很高的使用功率，因此，它的切割速度很快、精度很高，也可以保證工件不會出現變形的情況。另外，這是一種采用熱切割技術作為切割進程，在切割的時候受影響的區域很小，不會出現大范圍的影響，可以對一些非金屬進行加工，當然這也是其它激光切割機設備所不能做到的地方。最后它具有很高的能量，可以自由控制其密度的變化，也可以進行局部操作。在汽車工業中，使用激光三維切割代替沖壓和修邊模具來生產車身面板，這樣一來，新車開發出來，可以很快的投入生產，汽車的生產時間也可以大大縮短；在工程機械行業，激光切割已經成為日本的標準工藝，大大提高了新產品的開發速度，提高了產品質量，增強了企業的競爭力。中國三一集團還強烈敦促所有子公司使用激光，并使用激光重復使用離子，統一采購。另外徐工和山推也大力提倡推行激光切割技術。在航空航天工業中，激光切割零件包括鈦合金皮、鈦合金薄壁機、發動機火焰筒、飛機架等。總之，從全球范圍來看，大幅面激光切割機已成為重工業企業的新選擇。

2.2 激光焊接技術在工程機械制造中的應用

激光焊接技術除激光切割技術外，激光加工技術也在工程機械制造中被廣泛應用。激光焊接是一種焊接方法，其中加熱工件使用類似激光的高能束作為熱源，使材料熔化，以實現連接。激光焊接有時需要填充金屬，是一種非接觸式的焊接技術。根據材料的不同，使用相應的保護氣體來防止熔池氧化。與傳統的電弧焊相比，激光焊接技術是一種應用便捷，簡單可靠，適應性強并且功能眾多的精密焊接方法。在建筑機械中，激光焊接用于提高焊接強度。在減少焊接變形和焊接修正過程中，改善外觀結構設計方面具有一定的優勢和廣闊的應用前景。

在航空領域中，飛機的機身重量大大減輕，成本也降低25%左右，這就是應用了激光焊接鋁合金取代傳統的鉚接工藝的技術。激光焊接在空中客車A318、A380和其他型號上的成功應用被譽為航空業的一項重大技術革命。中國鞏水力團隊突破了輕合金激光焊接關鍵技術，實現了大型薄壁結構T型接頭雙梁雙面同步焊接，雙梁激光填充復合焊接裝置自主研發成功適用于某臺機器。在肋板關鍵結構構件的焊接制造中，它在中國新飛機的發展中起著重要作用。在汽車工業中，激光焊接技術極大的有助于提高車身強度。由于激光焊接技術具有深度比大、熱輸入小的優點，汽車零部件在拼接過程中可以完美結合，實現功能與形狀的完美結合。這一優勢使得當前的工程機械，例如推土機和叉車，使用激光焊接技術以實現完美的焊接狀態。借鑒汽車設計和制造的經驗，工程機械產品的設計和制造將成為新技術的新趨勢。

2.3 激光鉆孔技術在工程機械制造中的應用

激光鉆孔技術是一項多功能的技術，它已成為工業機械制造領域的關鍵技術之一。工業發達國家已大規模的將激光鉆孔技術應用于激光深微孔、汽車制造、航空航天、電子儀表等行業。在中國比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石的生產上，并在飛機葉片、手表以及寶石軸承的制造上大量應用。激光鉆孔進展向多樣化，高速和更小的孔。例如，將50000個孔的直徑為在飛機的機翼0.064mm可大大減少空氣流至飛行器的電阻；高壓水清洗環境多種多樣，常常需要為特殊的清洗環境重新設計噴嘴，靈活多變的激光打孔正好可以滿足這種需求；汽車工業的燃油過濾器的厚度為0.95mm，采用激光打孔，速度可達120孔/s。在燃油出口面沒有凸起部分，也沒有贓物，目前對于這類質量零件還沒有其他的加工方法可以做到。

2.4 激光熔覆技術在工程機械制造中的應用

激光熔覆的結構是一種新的表面改性技術進行再制造，其具有不可替代的優勢，并且遠遠好過其它的處理技術，主要采用5～10kW的CO2高功率激光器及其系統，在這方面，大陸激光器好過其它激光器。激光微面熔覆技術在實踐中被廣泛應用于冶金、電力、機械、石化、鋼鐵等工業領域。它對于修復渦輪功率旋轉裝置非常重要。零部件，直到單元，如煙氣渦輪機、離心式壓縮機、螺桿式壓縮機、大型蒸汽渦輪機、發電機、汽輪機等，也產生激光器，成為該技術的國內領先企業。另外，隨著激光熔覆修復模能大大提高模具的使用壽命，而不受形狀和尺寸的限制。以激光加工站為形式的國內激光加工中心，如中國科學院金屬研究所、北京、天津、杭州等，在激光加工再制造中發揮了重要作用。

目前激光熔覆主要用于材料的表面改性和制造過程中受損產品的修復。例如，英國RollsRoyce公司將激光熔覆技術應用于發動機的硬表面包層，從而大大提高了其使用壽命，也提高了發動機表面包層的硬度和耐磨性。“美國AVCO公司對汽車排氣閥激光熔覆Stellite合金，改進了排氣閥的磨損電阻，提高了其耐腐蝕性能和抗沖擊性能，降低了生產成本。激光熔覆技術也廣泛應用于模具和輥子制造，以提高其性能。表面硬度、耐磨性、電阻、耐高溫等性能，將提高使用壽命。激光熔覆技術已成功應用于模具、發動機葉片、汽車曲軸等零件的維修，修復零件的性能可達到甚至超過新的產品，并且成本大大降低。

3 結語

激光加工技術的研究呈加速發展的趨勢，被加工材料的范圍、工藝方法和應用領域不斷拓展。隨著研究和應用的不斷深化，激光加工技術在汽車制造業和航空航天業這幾個大型的工程機械制造業中發展，激光加工技術必將成為推動傳統產業改造升級和其他高新技術發展不可或缺的重要手段。