激光加工技術(shù)在工程機(jī)械制造中的應(yīng)用研究

尹桂敏

（長春大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

工程機(jī)械制造業(yè)在當(dāng)今中國迅速發(fā)展，在國際上也有相當(dāng)大的發(fā)展前景。而我國的工程機(jī)械制造業(yè)在世界上已經(jīng)嶄露頭角，為了進(jìn)一步鞏固我國工程機(jī)械制造強(qiáng)國的地位，我們也應(yīng)當(dāng)對使用的技術(shù)進(jìn)行改良。所以，將激光加工技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械制造中勢在必行，這能夠有效的提高工程機(jī)械制造的精度和質(zhì)量，而且擁有很好的應(yīng)用前景。

1 激光加工技術(shù)的基本原理和技術(shù)優(yōu)勢

激光加工技術(shù)是一項(xiàng)運(yùn)用了光學(xué)、機(jī)械、電學(xué)等綜合、先進(jìn)的加工技術(shù)，是21世紀(jì)的萬能加工工具。激光加工技術(shù)的發(fā)展大大推進(jìn)了整個(gè)機(jī)械制造業(yè)的迅速發(fā)展，那么將激光加工技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械制造領(lǐng)域，依靠的基本原理和技術(shù)優(yōu)勢又有哪些，接下來我們就激光加工技術(shù)的基本原理和技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行研究。

1.1 基本原理

激光實(shí)質(zhì)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(gè)方向的光子術(shù)，光子與原子連鎖反應(yīng)將會(huì)產(chǎn)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(jì)算機(jī)數(shù)控的技術(shù)下，組成具有機(jī)械加工性能的自動(dòng)化加工設(shè)備，以激光的高能，對金屬或非金屬材料進(jìn)行切割、焊接、打孔等，具有很高的加工精度的工程機(jī)械制造。激光加工技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前機(jī)械制造行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

激光加工技術(shù)是目前最先進(jìn)的加工技術(shù)。它主要使用高效激光雕刻和切割材料。主要設(shè)備包括電腦和激光切割機(jī)。激光加工技術(shù)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(xì)致；激光加工技術(shù)操作簡單，加工速度快，加工周期短；激光加工技術(shù)安全可靠，不會(huì)對材料造成機(jī)械壓力；激光加工技術(shù)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?。患す饧庸ぜ夹g(shù)使用計(jì)算機(jī)編程來最大限度地節(jié)省材料。激光加工技術(shù)非常適合新產(chǎn)品的開發(fā)，非?？焖俚墨@得新產(chǎn)品。傳統(tǒng)的加工方法已經(jīng)落后于現(xiàn)在的發(fā)展潮流，激光加工技術(shù)具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，激光加工技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣泛。

2 激光加工技術(shù)在工程機(jī)械制造中的應(yīng)用

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

2.1 激光切割技術(shù)在工程機(jī)械制造中的應(yīng)用

激光切割技術(shù)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(fā)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(jì)70年代開始，激光切割技術(shù)已成為工業(yè)材料切割突出的加工方法，當(dāng)然激光器和數(shù)控技術(shù)更是不斷改進(jìn)和發(fā)展。

不同的材料具有不同的切割技術(shù)和方法。這種激光設(shè)備在切割時(shí)使用的激光束可以聚焦成很小的光點(diǎn)，可以使激光切割機(jī)達(dá)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(huì)出現(xiàn)變形的情況。另外，這是一種采用熱切割技術(shù)作為切割進(jìn)程，在切割的時(shí)候受影響的區(qū)域很小，不會(huì)出現(xiàn)大范圍的影響，可以對一些非金屬進(jìn)行加工，當(dāng)然這也是其它激光切割機(jī)設(shè)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(jìn)行局部操作。在汽車工業(yè)中，使用激光三維切割代替沖壓和修邊模具來生產(chǎn)車身面板，這樣一來，新車開發(fā)出來，可以很快的投入生產(chǎn)，汽車的生產(chǎn)時(shí)間也可以大大縮短；在工程機(jī)械行業(yè)，激光切割已經(jīng)成為日本的標(biāo)準(zhǔn)工藝，大大提高了新產(chǎn)品的開發(fā)速度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)了企業(yè)的競爭力。中國三一集團(tuán)還強(qiáng)烈敦促所有子公司使用激光，并使用激光重復(fù)使用離子，統(tǒng)一采購。另外徐工和山推也大力提倡推行激光切割技術(shù)。在航空航天工業(yè)中，激光切割零件包括鈦合金皮、鈦合金薄壁機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒、飛機(jī)架等?？傊?，從全球范圍來看，大幅面激光切割機(jī)已成為重工業(yè)企業(yè)的新選擇。

2.2 激光焊接技術(shù)在工程機(jī)械制造中的應(yīng)用

激光焊接技術(shù)除激光切割技術(shù)外，激光加工技術(shù)也在工程機(jī)械制造中被廣泛應(yīng)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(shí)現(xiàn)連接。激光焊接有時(shí)需要填充金屬，是一種非接觸式的焊接技術(shù)。根據(jù)材料的不同，使用相應(yīng)的保護(hù)氣體來防止熔池氧化。與傳統(tǒng)的電弧焊相比，激光焊接技術(shù)是一種應(yīng)用便捷，簡單可靠，適應(yīng)性強(qiáng)并且功能眾多的精密焊接方法。在建筑機(jī)械中，激光焊接用于提高焊接強(qiáng)度。在減少焊接變形和焊接修正過程中，改善外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面具有一定的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

在航空領(lǐng)域中，飛機(jī)的機(jī)身重量大大減輕，成本也降低25%左右，這就是應(yīng)用了激光焊接鋁合金取代傳統(tǒng)的鉚接工藝的技術(shù)。激光焊接在空中客車A318、A380和其他型號上的成功應(yīng)用被譽(yù)為航空業(yè)的一項(xiàng)重大技術(shù)革命。中國鞏水力團(tuán)隊(duì)突破了輕合金激光焊接關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大型薄壁結(jié)構(gòu)T型接頭雙梁雙面同步焊接，雙梁激光填充復(fù)合焊接裝置自主研發(fā)成功適用于某臺機(jī)器。在肋板關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的焊接制造中，它在中國新飛機(jī)的發(fā)展中起著重要作用。在汽車工業(yè)中，激光焊接技術(shù)極大的有助于提高車身強(qiáng)度。由于激光焊接技術(shù)具有深度比大、熱輸入小的優(yōu)點(diǎn)，汽車零部件在拼接過程中可以完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)功能與形狀的完美結(jié)合。這一優(yōu)勢使得當(dāng)前的工程機(jī)械，例如推土機(jī)和叉車，使用激光焊接技術(shù)以實(shí)現(xiàn)完美的焊接狀態(tài)。借鑒汽車設(shè)計(jì)和制造的經(jīng)驗(yàn)，工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造將成為新技術(shù)的新趨勢。

2.3 激光鉆孔技術(shù)在工程機(jī)械制造中的應(yīng)用

激光鉆孔技術(shù)是一項(xiàng)多功能的技術(shù)，它已成為工業(yè)機(jī)械制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。工業(yè)發(fā)達(dá)國家已大規(guī)模的將激光鉆孔技術(shù)應(yīng)用于激光深微孔、汽車制造、航空航天、電子儀表等行業(yè)。在中國比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石的生產(chǎn)上，并在飛機(jī)葉片、手表以及寶石軸承的制造上大量應(yīng)用。激光鉆孔進(jìn)展向多樣化，高速和更小的孔。例如，將50000個(gè)孔的直徑為在飛機(jī)的機(jī)翼0.064mm可大大減少空氣流至飛行器的電阻；高壓水清洗環(huán)境多種多樣，常常需要為特殊的清洗環(huán)境重新設(shè)計(jì)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(yè)的燃油過濾器的厚度為0.95mm，采用激光打孔，速度可達(dá)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(zhì)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(shù)在工程機(jī)械制造中的應(yīng)用

激光熔覆的結(jié)構(gòu)是一種新的表面改性技術(shù)進(jìn)行再制造，其具有不可替代的優(yōu)勢，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)好過其它的處理技術(shù)，主要采用5～10kW的CO2高功率激光器及其系統(tǒng)，在這方面，大陸激光器好過其它激光器。激光微面熔覆技術(shù)在實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用于冶金、電力、機(jī)械、石化、鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域。它對于修復(fù)渦輪功率旋轉(zhuǎn)裝置非常重要。零部件，直到單元，如煙氣渦輪機(jī)、離心式壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)、大型蒸汽渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)等，也產(chǎn)生激光器，成為該技術(shù)的國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)。另外，隨著激光熔覆修復(fù)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(nèi)激光加工中心，如中國科學(xué)院金屬研究所、北京、天津、杭州等，在激光加工再制造中發(fā)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(chǎn)品的修復(fù)。例如，英國RollsRoyce公司將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的硬表面包層，從而大大提高了其使用壽命，也提高了發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(chǎn)成本。激光熔覆技術(shù)也廣泛應(yīng)用于模具和輥?zhàn)又圃欤蕴岣咂湫阅?。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(shù)已成功應(yīng)用于模具、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、汽車曲軸等零件的維修，修復(fù)零件的性能可達(dá)到甚至超過新的產(chǎn)品，并且成本大大降低。

3 結(jié)語

激光加工技術(shù)的研究呈加速發(fā)展的趨勢，被加工材料的范圍、工藝方法和應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。隨著研究和應(yīng)用的不斷深化，激光加工技術(shù)在汽車制造業(yè)和航空航天業(yè)這幾個(gè)大型的工程機(jī)械制造業(yè)中發(fā)展，激光加工技術(shù)必將成為推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級和其他高新技術(shù)發(fā)展不可或缺的重要手段。