激光加工技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

劉迅，李東艷

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東青州262500）

激光加工技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

劉迅，李東艷

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東青州262500）

大功率激光器件的發(fā)展促進(jìn)了激光加工技術(shù)的研究和應(yīng)用。介紹了激光切割、激光焊接、激光熔覆和激光增材制造在機(jī)械制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

激光加工；制造；應(yīng)用

激光是受激輻射光放大的簡(jiǎn)稱。微觀粒子具有一系列特定的能級(jí)。若處在高能級(jí)E2的粒子數(shù)大于處在低能級(jí)E1的粒子數(shù)，這種分布與平衡態(tài)時(shí)的粒子分布相反，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。處于高能級(jí)E2上的粒子當(dāng)有頻率為ν=（E2-E1）/h的光子入射時(shí)，會(huì)引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級(jí)E2躍遷到能級(jí)E1，同時(shí)輻射一個(gè)與外來(lái)光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個(gè)過(guò)程稱為受激輻射。這意味著原來(lái)的光信號(hào)被放大。這種在受激輻射過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光就是激光。

激光具有亮度高、方向性好、高單色性和高相干性的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于通訊、醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域。隨著大功率激光器件的發(fā)展，CO2激光器的最大功率可達(dá)45 kW，能量密度達(dá)106-8J·cm-2，高功率半導(dǎo)體激光器的效率可達(dá)30～50%，使用壽命5 000～10 000 h[1]，配套制造系統(tǒng)也相應(yīng)發(fā)展，從而使激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光增材制造等激光加工技術(shù)在制造業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

1 激光切割

激光切割是利用高能量密度的激光束照射工件，使照射處溫度急劇上升，材料氣化后蒸汽快速排出或熔化后在輔助氣體的作用下排出液態(tài)材料和熔渣，形成切縫。

激光切割可用于加工鋼材、鋁合金、鈦合金等金屬材料，也可用于加工玻璃、陶瓷、塑料等非金屬材料。激光切割是無(wú)接觸加工，工件無(wú)機(jī)械變形；激光束對(duì)非激光照射部位沒(méi)有影響或影響極小，其熱影響的區(qū)域小，工件熱變形小。切口細(xì)窄，切縫表面光潔美觀，切割質(zhì)量好。激光切割速度快，柔性高，可以節(jié)省模具投資，節(jié)省生產(chǎn)成本。

在汽車(chē)行業(yè)，用激光三維切割取代沖孔和修邊模生產(chǎn)車(chē)身覆蓋件，極大縮短了新車(chē)的研發(fā)周期和汽車(chē)的生產(chǎn)周期[2]。

在工程機(jī)械行業(yè)，日本已將激光下料作為標(biāo)準(zhǔn)工藝手段，我國(guó)的三一重工、徐工、山推等也相繼引進(jìn)了大幅面激光切割機(jī)[3]。

在航空航天工業(yè)，激光切割加工的零部件有發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒、鈦合金薄壁機(jī)匣、飛機(jī)框架、鈦合金蒙皮、機(jī)翼長(zhǎng)桁、尾翼壁板、航天飛機(jī)陶瓷隔熱瓦等[4]。

2 激光焊接

激光焊接是以激光這種高能束為熱源加熱工件，使材料熔化實(shí)現(xiàn)連接的焊接方式。激光焊接屬于非接觸式焊接，偶爾需要填料金屬，根據(jù)材質(zhì)不同需使用對(duì)應(yīng)的保護(hù)氣體防止熔池氧化。激光焊接速度快，靈活程度高，幾乎沒(méi)有焊接變形，不需要焊后熱處理。

在航空領(lǐng)域，用激光焊接鋁合金取代傳統(tǒng)的鉚接工藝，使飛機(jī)機(jī)身重量減輕了約20%，成本節(jié)約了20%以上[2]。激光焊接在空客A318、A380等機(jī)型上的成功應(yīng)用[4]被譽(yù)為航空制造業(yè)中的一大技術(shù)革命。我國(guó)鞏水利團(tuán)隊(duì)突破了輕質(zhì)合金激光焊接的關(guān)鍵技術(shù)，利用自主研發(fā)的雙光束激光填絲復(fù)合焊接裝置，實(shí)現(xiàn)了大型薄壁結(jié)構(gòu)T型接頭雙光束雙側(cè)同步焊接，并成功應(yīng)用于某機(jī)型帶筋壁板關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的焊接制造中，為我國(guó)新型飛機(jī)的研制發(fā)揮了重要作用。鞏水利于2013年獲得國(guó)際上焊接領(lǐng)域最高學(xué)術(shù)獎(jiǎng)-布魯克獎(jiǎng)。

在汽車(chē)工業(yè)，克萊斯勒公司最早將激光焊接應(yīng)用于變速箱齒輪的焊接，這是激光焊接在該領(lǐng)域的首次應(yīng)用。美國(guó)福特汽車(chē)公司用激光焊接車(chē)輪輪盤(pán)鋼圈。激光焊接廣泛應(yīng)用于排氣管、濾清器、傳動(dòng)軸等汽車(chē)零部件生產(chǎn)。激光焊接在汽車(chē)制造中的又一應(yīng)用是激光拼焊，即根據(jù)車(chē)身不同的設(shè)計(jì)和性能要求，將不同材質(zhì)、不同厚度的板材拼裝焊接成一個(gè)整體。激光拼焊廣泛應(yīng)用于行李箱加強(qiáng)板、車(chē)門(mén)內(nèi)板、保險(xiǎn)杠、中立柱等車(chē)身部位，減輕了車(chē)身重量，提高了剛度，改善了振動(dòng)特性。車(chē)門(mén)、頂蓋與側(cè)圍等車(chē)身總成與分總成也廣泛應(yīng)用了激光焊接[5，6]。

3 激光熔覆

激光熔覆是將粉末狀熔覆材料（有時(shí)也用線材或板材）以預(yù)置或同步方式放置于基體的表面，在高能激光束的作用下，熔覆材料和基體的表面薄層熔化并快速凝固從而形成一表面改性涂層，該涂層根據(jù)需求不同可具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、耐氧化等特點(diǎn)。激光熔覆對(duì)基體熱影響小、冷卻速度快，涂層晶粒細(xì)小，熔覆層稀釋率小、與基體為良好的冶金結(jié)合，粉末選擇范圍廣泛，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

激光熔覆當(dāng)前主要應(yīng)用于制造過(guò)程中對(duì)材料進(jìn)行表面改性和對(duì)損壞的產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)。如英國(guó)Rolls Royce公司較早應(yīng)用激光熔覆技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行硬面熔覆，大大提高了其硬度和耐磨性[7]。美國(guó)AVCO公司對(duì)汽車(chē)排氣門(mén)激光熔覆Stellite合金，提高了排氣門(mén)的耐磨損、耐腐蝕和抗沖擊性能，降低了生產(chǎn)成本[8]。激光熔覆技術(shù)還可應(yīng)用于汽車(chē)換向器、齒輪等零部件的制造。模具和軋輥制造領(lǐng)域也廣泛使用激光熔覆技術(shù)改善其表面硬度、耐磨性、耐高溫等性能，提高使用壽命[9]。激光熔覆技術(shù)也成功應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、汽車(chē)曲軸、模具等零部件的修復(fù)，修復(fù)后的零件性能可以達(dá)到甚至超過(guò)新品，而成本卻大大減少。

4 激光增材制造

激光增材制造，俗稱3D打印，以高功率激光為能量源，以合金粉末或絲材為原料，依據(jù)三維模型數(shù)據(jù)分層制造，逐層累加，將CAD數(shù)字模型制造成三維實(shí)體零件。按成形原理主要分成激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）和激光金屬直接成形（Laser Metal Direct Forming，LMDF）[10]。激光選區(qū)熔化是先將粉末鋪好，然后高能激光束按照預(yù)定的路徑掃描金屬粉末使其完全熔化，最后冷卻凝固成形。激光金屬直接成形則是按照預(yù)定的加工路徑，采用激光束將同步送入的金屬粉末熔化然后快速凝固，逐層堆積成形。

激光增材制造技術(shù)柔性高、無(wú)模具、制造流程短，可加工難熔、難切削、高活性材料，可加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜及薄壁零件，零件綜合力學(xué)性能優(yōu)異。

美國(guó)GE公司利用SLM技術(shù)制造了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪和燃料噴嘴，西班牙的Salamanca大學(xué)利用SLM技術(shù)制造出鈦合金胸骨和肋骨，并成功植入胸廓癌患者體內(nèi)[10]。美國(guó)AeroMet公司采用激光增材制造技術(shù)生產(chǎn)的鈦合金小型、次承力構(gòu)件于2002年通過(guò)了在F/A-18等飛機(jī)上的驗(yàn)證考核并實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用，但未能突破大型、主承力構(gòu)件的關(guān)鍵技術(shù)，2005年被迫關(guān)閉。北京航空航天大學(xué)王華明團(tuán)隊(duì)與“產(chǎn)學(xué)研”合作單位共同努力，2005年使我國(guó)成為國(guó)際上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)激光增材制造鈦合金小型、次承力構(gòu)件裝機(jī)應(yīng)用的國(guó)家，隨后又突破了大型、主承力構(gòu)件制造的關(guān)鍵技術(shù)，使我國(guó)成為目前世界上唯一突破該技術(shù)的國(guó)家[11]，并在C919大型客機(jī)的生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，獲得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光增材制造、激光打孔、激光打標(biāo)、激光表面熱處理等激光加工技術(shù)在機(jī)械制造中得到了廣泛的應(yīng)用。某些技術(shù)在產(chǎn)品組織缺陷和力學(xué)性能等方面仍然存在著瓶頸難題，大量的研究工作正在開(kāi)展。激光器和激光加工工藝的發(fā)展使激光制造技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1]張建斌，余冬梅.鈦及鈦合金的激光表面處理研究進(jìn)展[J].稀有金屬材料與工程，2015，44（1）：247-254.

[2]左鐵釧，陳虹.21世紀(jì)的綠色制造-激光制造技術(shù)及應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（10）：106-110.

[3]尹杰.激光加工技術(shù)在工程機(jī)械制造中的應(yīng)用探討[J].工程機(jī)械，2011，42（9）：50-53.

[4]辛晨光.激光制造技術(shù)的應(yīng)用與展望[J].現(xiàn)代制造工程，2012，（9）：130-134.

[5]陳根余.激光焊接技術(shù)在汽車(chē)制造中的應(yīng)用與激光組焊單元設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2010，40（5）：32-38.

[6]陳根余.激光焊接、切割在汽車(chē)制造中的應(yīng)用[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2009，（9）：17-23.

[7]左鐵釧.激光制造技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2008，（21）：32-34.

[8]常成.激光熔覆技術(shù)及其在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用[J].湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，30（2）：49-53.

[9]楊寧.激光熔覆技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].熱加工工藝，2011，40（8）：118-120.

[10]楊強(qiáng).激光增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].航空制造技術(shù)，2016，（12）：26-31.

[11]王華明.高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造：若干材料基礎(chǔ)問(wèn)題[J].航空學(xué)報(bào)，2014，35（10）：2690-2698.

Application of Laser Processing technique in Machine Manufacturing

LIU Xun，Li Dong-yan
（Weifang Engineering Vocational College，Qingzhou Shandong 262500，China）

Research and application of laser processing technique are promoted through development of high-power laser.Application status of laser cutting，laser welding，laser cladding and laser additive manufacturing in machine manufacturing are briefly introduced.

laser processing；manufacturing；application

TH18

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0300-03

2017-02-18

劉迅（1979-），女，山東人，碩士，講師，主要研究方向：機(jī)電一體化。