關于激光加工技術在機械制造中的應用分析

丁飛　毛銳　張小龍

摘 要：激光加工技術作為科學技術在工業生產活動開展過程中的延伸，不斷拓展了更為廣泛的應用范圍，同時也在很大程度上促使激光加工技術的優化升級。本文主要通過全面了解激光加工技術的主要概念，分析激光加工技術的特點性質，從而進一步展開機械制造行業的相關使用路徑綜合論述，最終為更好的總結歸納出今后未來激光加工技術的發展趨勢。

關鍵詞：激光加工技術;機械制造;技術應用

1 激光加工技術的優勢和特點

激光加工技術屬于無接觸加工，無“刀具”磨損，無“切削力”，對工件無直接沖擊，因此無機械變形;激光束易于導向、聚焦實現作各方向變換，且其移動速度均可調，因此可以實現多種加工的目，便于與數控系統配合、對復雜工件進行加工;光斑直徑小且可調、加工速度快，因此，其熱影響區小，工件熱變形小，后續加工量小;激光的波長、頻率、能量光斑大小形狀可調，因此幾乎可以加工各種材料;光束可過透明介質對密閉容器內的工件進行各種加工;因此可實現常規手段無法實現加工形式;激光切割的割縫小，切割面光滑，無需后期處理，因此一致性高，生產效率高，質量可靠。目前的激光加工設備，常與電子，機械以及數字智能化系統相結合，實現加工設備的自動化、智能化、高速化、無人化、柔性化加工，未來將完全替代傳統生產方式成為綠色的生產工具。

2 激光加工在機械制造中的應用

2.1 激光熱處理

激光熱處理技術也稱激光淬火，是以高能量激光束快速掃描工件，使被照射的金屬或合金表面溫度以極快速度升高到相變點以上，隨著材料自身冷卻，使材料表面硬化，形成的表面硬化層硬度比常規方法熱處理的高15%～20%，硬化層深度一般為0.3～1.5mm，從而增加材料表面的疲勞強度，則可以大大提高材料的耐磨性和疲勞性能，如：在汽車關鍵件上缸體、缸套、曲軸、鋁活塞環槽等都可以采用激光熱處理，可以降低這些制造工藝復雜，精度要求高的模具成本投入，提高企業的經濟效益。

2.2 材料處理

激光加工技術對于材料處理方面的應用十分廣泛，其主要工作原理是借助激光的熱處理技術，對材料表面進行熱能釋放，當溫度上升接近材料熔點時，被處理材料形態會發生相應改變。由于激光加工技術的融合性，所以在材料處理方面，進一步升級優化了傳統熱處理技術。通過激光加工技術實現材料處理，在很大程度上延長處理材料的使用壽命，顯著提升處理材料的耐熱性，與此同時，根據激光加工技術在材料熱處理方面展現的優勢，該技術生產制造的產品也表現出更為顯著的市場競爭力。所以選擇性使用計算機設計制圖技術結合激光加工技術，為更好的實現機械制造產業目標，有效增強材料熱處理手段，從根本上解決了機械制造的自動化精準度，有效的實現激光技術和CAD技術的相互融合，可以充分降低機械制造企業的生產難度，提高產品生產的實際加工效率。

2.3 材料修復

對于激光技術的機械制造在材料加工方面的應用展開相應研究，通過判斷可以看出，激光加工技術可以發揮機械制造材料的修復作用。具體的工作流程首先將涂層填料安置于待修復材料表面，隨之展開對待修復部位的持續激光束熱源照射，借助激光的熱加工作用，促使待修復材料表面獲取持續的高功率熱量供給，從而在機械制造材料的表層結構組織范圍出現熔化現象。通過高溫供給的方式，改變機械材料的物理性能，增強其高溫耐受性以及抗腐蝕性能，有效加深機械制造材料的高質量使用效率。對于經過表面修復的金屬材料較普通材料相比各項性能指標都有顯著提升，有利于更好的為推進我國機械制造行業的材料選擇進程，全面的提高最終成品質量。

2.4 激光切割

激光切割技術是利用經聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，從而實現將工件割開。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能夠獲得較好的切割質量。該技術在汽車制造和航空領域的金屬材料加工都有廣泛應用，同時，由于激光加工技術的包容性，對于某些特殊易碎材料的也發揮同樣的切割作用，如陶瓷、石英等;并且，由于激光束的精準度較高，對于采用激光切割的零部件，在切割后不會出現像火焰切割、等離子切割的熱變形、噪音小、生產過程清潔無污染等，真正使金屬切割過程達到快速、精準、環保、節能，金屬加工從此進入自動化、柔性化、智能化、高效化時代。

2.5 激光焊接

激光焊接的機械材料制造加工技術，通過借助激光束具有的熱源性能，對機械零部件進行加熱升溫至熔點，促使表面接口處部位的局部熔化，從而有效銜接機械零部件機構。由于激光焊接熱影響區小、加熱集中迅速、熱應力低，因而在集成電路和半導體器件殼體的封裝中，顯示出獨特的優越性;在真空器件研制中，激光焊接也得到了應用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1mm，采用傳統焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩定性差，影響因素多而采用激光焊接效果很好，得到廣泛的應用。由于該技術本身所具有的操作簡便且成品靈活性高的優勢特點，所以在航空建設制造領域方面發揮顯著成效。從根本上填補了鉚接工藝的欠缺，在減輕飛機重量和有效節約生產成本方面發揮重要技術支持。

2.6 激光增材制造

傳統零件加工主要是減材制造，通過對工件切割、鉆、銑等加工方法去除部分材料，從而獲得一個三維物體形態。而激光加工技術的應用，通過借助激光高功率水平，不斷對原材料施加相應的能量，從而按照三維立體的模型數據信息，完成階段性的分層制造，最終實現三維立體的零部件實物。對于三維立體打印技術，根據實際的運行原理不同，可以從根本形式上劃分為兩種技術形態：一種是通過預先安置金屬粉末，采用高能激光束通過自動化控制實現金屬粉末的實時掃描，進而加速金屬粉末熔化后再次成型過程。該過程被稱為激光選區熔化，另一種則是通過設置加工路徑，發揮激光束的攜帶作用，將金屬粉末送入機械制造器具，直接完成激光金屬的堆積成形工作。主要應用于航空發動機葉片、渦輪導向器等的修復，通過有效的利用激光加工技術，解決了重載車輛發動機凸輪軸、高速列車車軸、大型壓縮機葉輪等典型裝備零件再制造技術難題，創造了顯著經濟效益和社會效益。

3 結語

隨著國產激光器的進步、大功率光纖激光器應用的成熟，國內激光企業的發展，機器人技術的普及，以及配套控制軟件的優化和三維及動態仿真技術的完善，激光加工技術必然從目前主要集中于軍工，航天、汽車、手機等高附加值產業向其他行業擴展，甚至可能像在鈑金行業中那樣成為行業材料加工手段的首選。其次考慮的激光的多樣性，可調性，可控性，激光加工技術必然會在越來越多的行業發揮出優于傳統加工手段的的特點。如藍光、綠光、等不同波長的激光在有色金屬焊接上的優異表現，如脈沖寬度在ps甚至fs量級的超快激光器在精密材料加工中的應用，如與機器人技術結合衍生出的飛行焊接、飛行打標和柔性切割技術等，激光加工技術的普及和推廣必將推動我國機械制造行業的發展，向智能加工和智能制造邁進。

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