激光精密加工成型技術及產業化應用

張 曌，李嘉寧，2

（1.山東建筑大學 材料科學與工程學院，山東濟南 250101;2.濟南森峰激光科技股份有限公司，山東濟南 250107）

0 前言

激光加工技術是一種利用激光束作用在物質表面或內部進行焊接、表面處理和微加工材料的先進制造技術，涉及電、光、材料等多門學科[1]。由于該技術生產效率高、易實現自動化和環境污染較小，已被廣泛應用于汽車、電子電器、航空、冶金、機械制造等工業領域[2]。與傳統材料加工方式相比，激光加工具有能量集中、非接觸加工、無污染、安全可靠等優點，是工業生產中重大技術突破。激光加工設備工作能量密度達（106～1012）W/cm2,通過改變激光參數可加工金屬、聚合物、陶瓷及其復合材料等多類型材料[3，4]。激光成型是將激光覆層與其他快速成型方法結合；如快速鑄造將激光與傳統鑄造技術相結合，利用激光對單層粉末燒結成型，降低鑄造時間與成本；鍛壓激光快速成型將激光與連續點式鍛壓技術相結合，得到成型精度高、形狀復雜并與鍛件在形狀結構上保持一致的產品；激光電弧復合焊接成型將電弧焊與激光焊的優勢相結合，提高了焊縫質量、減少氣孔裂紋等缺陷產生，改善焊接接頭適應性。激光的極冷極熱特性有利于高純度表面納米晶粒產生，因其吸附效率高、催化活性強被用于生物醫學、催化及材料表面改性[5，6]。激光增材制造技術作為新型激光加工方法，學者通過改進原材料的制備方法、優化激光加工性能、建立不同工藝路線等發揮激光增材制造技術潛力，增加工業應用效益[7，8]。全威等[9]論述了激光加工技術在汽輪機葉片中的應用情況，在高附加值零部件的制造與再制造方面顯示出特有的應用價值。針對航空發動機渦輪葉片氣膜孔的復雜加工要求，蔣其麟等[10]通過激光精密加工技術在不銹鋼渦輪葉片上加工出81 個高精度、高質量的氣膜孔，結果表明孔徑定位精準，形狀與大小標準，孔壁光滑，無明顯加工缺陷，實現了高效率、高精度的氣膜孔加工。

1 激光精密加工成型研究現狀

激光器作為綠色加工技術的重要支柱，在材料加工領域得到廣泛應用[11]。當前激光器年產量飛速提高，各項科研成果逐步轉化為生產力，極大提升了傳統加工業水平。YAG 激光器與光纖激光器因其較高的加工精度逐漸成為國內外光電領域的研究對象，多用于熱變形小、污染小的微型元器件，擁有廣闊發展空間[12，13]。國內將激光器應用于復雜精密零部件成型，充分發揮激光加工技術快速靈活、可靠性高等特點，使激光加工成為精密制造的主力軍，也是制造業中的一大技術革命[14]。國內外學者通過激光雙光束焊接技術降低飛機壁板T 型結構的重量，減小蒙皮表面形狀誤差及氣孔率,成為航空航天制造領域的重點發展技術[15，16]。美國與加拿大等公司將激光焊接技術應用于發動機渦輪葉片的修復，德國一公司研發出可用修復整體葉盤葉片的激光焊接技術[17]。周慶祥等[18]對激光-MIG 復合焊后的列車薄壁型材進行檢測，X試驗檢測與有損實驗證明焊接性能良好，焊縫達合格標準。席明哲等[19]將激光修復與點式鍛壓技術結合，在保證修復形貌與鍛件一致前提下，提高了TA15 鈦合金屈服強度、抗拉強度及塑性，解決了傳統鍛造工藝復雜、材料利用率低的難題。未來，在激光技術與計算機控制技術的結合下，將不斷提高加工自由度與生產效率，創造綠色、高效、低成本的生產模式；在激光技術與增材制造的不斷融合發展下，將逐步代替傳統加工工藝等減材制造產品，實現工業領域新發展。

1.1 激光精密焊接

傳統焊接工藝難以滿足元器件向微觀化、小型化發展的需求，激光焊接是利用高能量密度激光束作為熱源進行焊接的一種加工手段，由于其高精度、高能量密度等特點可彌補小型元器件焊接的諸多難點，對特殊結構及材料焊接具有重要意義。方澤等[20]采用遠程激光焊對天窗加強環及與其標準件進行焊接，在成本可控情況下，生產效率及綜合性能較電阻焊有明顯提高；由于材料自身微觀化和小型化使剛度下降，結構服役可靠性及裝配精度由于焊接變形及殘余應力存在而降低，對焊后缺陷準確預測對激光焊接應用具有重要意義。許海亮等[21]采用有限元法和熱源模型法研究了脈沖激光焊接對316 不銹鋼超薄板殘余應力和焊接變形的影響,結果表明試樣變形形貌為橫向凹陷和縱向凸起，實際溫度場變化和熱循環模擬結果吻合。哈爾濱焊接研究院通過激光-電弧復合焊接完成長度25m 車身大部件連續焊接（如圖1），通過對焊接工藝的研發與整體設計、焊后檢驗等環節解決了金屬焊接變形問題，相比于傳統焊接手段效率得到提高，熱變形減小了70%～90%[22]。

圖1 25m 通長型鋁合金車體大部件激光-電弧復合焊[22]

激光焊接憑借其優良性能已正成為異種金屬及齒輪加工制造業的主要連接方法；激光復合焊接技術也依靠其效率高、節能環保等特點在制造領域得到應用。Khajanchee 等[23]通過改進激光功率和焊接速度，采用CO2激光焊接使焊接接頭獲得實際生產所需的焊接深度、寬度及強度，成功地應用于16MnCr5 合金鋼汽車齒輪的連接（如圖2 所示）。

圖2 激光焊接齒輪同步器裝配照片[23]

Hong 等[24]將鍍鋅鋼的激光焊接與鍍鋅鋼的電阻點焊進行了比較，并通過改變焊縫結構、改變元素成分、利用脈沖激光和去除鍍鋅層來提高鍍鋅鋼的激光焊接質量。結果表明，鍍鋅鋼激光焊接過程中鋅的蒸發會破壞小孔穩定性、促進孔洞形成。通過預去除鋅涂層、改變焊縫結構及化學成分、使用脈沖激光束等可減少鋅蒸汽的不利影響；鎂合金易受到氧化物夾雜和壓鑄過程中產生的孔隙凝聚的影響，減少激光與鎂合金工件之間的相互作用時間可抑制氣孔的生長；鋁合金焊接件易產生裂紋，減緩凝固速度可有效防止鋁合金焊接件的凝固開裂（如圖3），得出在工業裝置中實施這些技術的可行性。

圖3 激光焊接在鋁板液壓成形中的應用[24]

材料長期使用性能因耐磨性和尺寸穩定性等因素顯著降低，表面處理對金屬和合金物化特性具有重要意義。材料表面增強取決于增強類型、工藝參數等，對于特定的基體和增強體的化學成分及其制造溫度用傳統增強手段如等離子噴涂、電鍍等難以在基體和增強體顆粒之間實現冶金結合；通過快速加熱和冷卻方法，對合金表面形貌進行激光處理成為制造精確微觀結構最有效方法之一[25，26]。激光處理時，不同工藝參數、涂層成分對復合材料組織及性能有極大改善。常用激光表面處理手段有激光熔覆與選區激光熔化[27]。

1.2 激光熔覆

激光熔覆技術是一項集激光技術、計算機輔助制造技術和控制技術于一體的新型多學科表面強化修復技術，具有高能量密度及良好方向性，在激光作用下熔覆粉末在基體表面快速熔化凝固，形成高性能涂層[28]。在航空航天、石油化工等工業領域中，不同機器部件處于高溫高壓環境中易磨損腐蝕；激光熔覆技術以其稀釋率低、熱影響區小、冶金結合良好等優點廣泛應用于機械零件的修復和功能涂層中[29，30]。李會山等[31]利用激光熔覆技術對模具進行修復，通過優化激光工藝參數、加工前預熱等方法增強抗磨損及抗機械損傷能力，提高模具修復質量。Yang 等[32]針對激光熔覆材料利用率低、成本高的問題，采用回收的車削加工廢料作為熔覆材料，在30CrMnSi 基片表面制備30CrMnSi 激光熔覆層，顯著提高基材的硬度、耐蝕性和耐磨性完全符合綠色制造和節約資源的要求。如圖4 所示，Pascu 等[33]采用Metco 4010 粉末作為涂層材料，通過脈沖激光熔覆工藝修復VT3-1 鈦噴氣發動機葉片，結果表明涂層和基體間獲得完美冶金結合，熔覆層致密無缺陷，具有均勻魏氏組織。余敏等[34]采用激光熔覆技術對輪軌、制動盤、車軸等耐磨部件進行修復，從熱影響區對組織演變及服役性能的影響、殘余應力的影響、稀釋率較高三方面綜合考慮，并對未來激光熔覆技術在軌道交通領域的應用與發展做出推測。

圖4 脈沖激光熔覆工藝修復VT3-1 鈦噴氣發動機葉片[33]

1.3 選區激光熔化

選區激光熔化技術（SLM）是一種制造復雜幾何形狀或化學梯度的金屬零件增材制造技術[35]。在SLM 中，熔池以極快冷卻速度凝固，細化組織結構，增強機械性能。SLM分為以下三個步驟：粉末快速熔化確定熔池金屬均勻性與流動性、熔池快速凝固確定微觀結構成形和涂層快速再加熱改變微觀結構，最終材料力學性能得到改善[36]。蔣佳斌等[37]通過添加LaB6稀土材料增強316L 不銹鋼件力學性能，如圖5 所示，LaB6/316L 試樣內部組織明顯細化，平均晶粒尺寸約6.0588μm，顯著提高材料顯微硬度、拉伸強度、屈服強度及耐磨性能。Gu 等[38]研究SLM 制備納米TiC 增強復合材料平臺支撐結構的微觀結構。通過將激光能量線密度從225J/m 增加到300J/m，納米TiC 增強體嚴重團聚，沿晶界和晶粒內部均勻分布。納米顆粒的形貌由不規則多邊形轉變為近球形,材料機械性能顯著提高（如圖6 所示）。使用激光進行表面處理或改性將提高微觀結構性能，從而使工件具有更廣闊使用范圍。

圖5 SLM 成形樣件的組織圖（左側為316L，右側為316L/LaB6）[37]

圖6 復合材料平臺支撐結構[38]

1.4 激光燒結精密鑄造

隨著工業科技的發展，傳統鑄造的方式存在效率低、精度差等難題；激光燒結技術已被應用于熔模鑄造及消失模鑄造等領域中，極大提高生產效率，降低生產成本。邵中魁等[39]使用激光燒結技術獲得高尺寸精度及成型質量良好的精密鑄件，通過質量評估確定鑄件精度達CT6 級，在工藝、效率及質量方面都得到提升，可實現小批量快速生產（如圖7）。呂樂華等[40]通過調節激光功率、燒結間距及厚度等獲得可降低實際生產周其余成本的最佳工藝參數，提高砂芯表面精度及強度，為實際生產提供理論依據。

圖7 零件支架的精密鑄件[39]

2 展望

激光加工成型技術利用高能激光束作用于材料表面，在工業生產中利用激光高適用性和靈活性用于材料焊接、表面改性、精密鑄造等；作為工業領域重要加工手段，加工過程可控性及高效性使加工效果多樣化，且適用于微納米尺度材料的加工，實現表面完整性更好、幾何公差更好、精度更高、加工成本更低、生產率更高、加工時間更短的產品，提高硬脆材料在工業應用中性能，極大提高鑄造、鍛壓、焊接生產效率與生產水平。在未來發展中應加強探索與其他加工方式的復合，將表面化學改性和微納米特征制造相結合，進一步擴大激光成型工業生產應用范圍。