激光技術(shù)在金屬材料加工工藝中的應(yīng)用研究

文楊昊

（佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154000）

在科學(xué)技術(shù)水平不斷進(jìn)步的當(dāng)下，工業(yè)制造中對(duì)精度的要求越來(lái)越高。在這一背景下，如何快速加工高精度的金屬部件成為金屬材料加工企業(yè)需要解決的重要問題之一。在各種金屬材料加工技術(shù)中，激光技術(shù)由于具有比較高的加工效率和加工精度，因而得到了比較廣泛的應(yīng)用[1]。在應(yīng)用激光技術(shù)進(jìn)行金屬材料加工的過程中，需要針對(duì)加工技術(shù)的具體應(yīng)用方法和應(yīng)用策略進(jìn)行研究。因此才能為激光技術(shù)的合理應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 激光技術(shù)在金屬加工中的應(yīng)用原理

使用激光進(jìn)行金屬材料加工，最主要的應(yīng)用原理就是利用激光具備的單色性、相干性和平行性特點(diǎn)，將激光聚集到需要切割或焊接的點(diǎn)上，并在這一基礎(chǔ)上形成金屬材料加工需要達(dá)到的高溫。在這情況下，金屬材料就會(huì)出現(xiàn)局部熔化，現(xiàn)象。而工人就可以利用金屬的局部熔化進(jìn)行精確的金屬材料加工[2]。同時(shí)，使用特殊的設(shè)備能夠?qū)す夤ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行調(diào)整。因此，金屬材料的局部熔化就能夠得到比較精準(zhǔn)的控制。而使用激光進(jìn)行金屬加工，最主要的原理就是利用激光直線傳播特性以及能夠形成高溫的特點(diǎn)[3]。此外，使用激光進(jìn)行金屬材料加工的過程中，能夠?qū)す獾墓β屎兔芏冗M(jìn)行調(diào)整，在此基礎(chǔ)上，適應(yīng)金屬材料加工工作中的不同加工需求。

在金屬材料加工工作中，工件變化形式的最主要影響因素就是激光的聚焦強(qiáng)度和操作手法。具體來(lái)說，在加工過程中，需要根據(jù)金屬工件的尺寸、熔點(diǎn)、強(qiáng)度等因素的變化對(duì)激光聚焦的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。只有這樣，才能保證金屬材料的加工精度和加工質(zhì)量。

2 激光技術(shù)在金屬加工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，激光技術(shù)之所以能夠在金屬材料加工中得到廣泛應(yīng)用，主要原因是該技術(shù)具有加工速度快、加工精度高和加工質(zhì)量好等方面的優(yōu)勢(shì)。而在本文中，將針對(duì)上述幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行全面的分析和闡述。

2.1 加工速度快

與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，激光技術(shù)在金屬材料加工中的最主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)就是具備較高的加工速度。而在激光切割方面，該技術(shù)的加工速度優(yōu)勢(shì)更加明顯。通過對(duì)金屬材料加工中的零部件加工進(jìn)行調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，在鈑金零部件加工過程中，激光器的功率與金屬材料切割的速度成正比。在加工過程中，利用激光加工技術(shù)能夠快速加工多種金屬和非金屬材料，利用激光技術(shù)，能夠迅速加工復(fù)雜的零部件，且在這一基礎(chǔ)上保證加工精度。此外，在傳統(tǒng)的加工技術(shù)中，工人需要花費(fèi)比較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行加工參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整，而使用激光加工技術(shù)進(jìn)行金屬材料的加工，則能夠有效縮短加工參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整時(shí)間。因此，越來(lái)越多的金屬加工企業(yè)認(rèn)識(shí)到激光技術(shù)在加工速度方面的優(yōu)勢(shì)，并將激光加工技術(shù)應(yīng)用到金屬材料加工當(dāng)中。

2.2 激光技術(shù)加工精度高

在使用激光技術(shù)進(jìn)行金屬材料加工的過程中，金屬部件對(duì)切割或焊接技術(shù)的加工精度具有比較高的要求，在將激光照射到零件表面之后，工件表面會(huì)出現(xiàn)局部熔化。而激光技術(shù)的最主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一，就是能夠通過功率和密度的調(diào)整，對(duì)金屬零件表面的局部熔化部位和熔化溫度進(jìn)行比較，同時(shí)進(jìn)行精確的控制。與傳統(tǒng)的焊接方式相比，激光焊接具有比較強(qiáng)的方向性。而在實(shí)施金屬焊接和金屬切割的過程中，激光的使用會(huì)減少焊接過程中產(chǎn)生的有害氣體，并在這一基礎(chǔ)上保護(hù)工作人員的健康與生命安全。此外，由于能夠?qū)饘俨牧系木植咳刍M(jìn)行比較精準(zhǔn)的控制，因而金屬工件的其他部位并不會(huì)由于溫度升高而產(chǎn)生性能變化。在這一基礎(chǔ)上，焊接的精度和金屬材料的性能就能夠得到更加穩(wěn)定的保障。

2.3 加工質(zhì)量好

在具備較高的加工精度的基礎(chǔ)上，激光技術(shù)能夠進(jìn)一步提升金屬材料的加工質(zhì)量。具體來(lái)說，首先，在使用激光進(jìn)行金屬材料加工的過程中，由于激光的溫度較高，因而能夠?qū)θ埸c(diǎn)較高的金屬材料進(jìn)行快速且精準(zhǔn)的切割和焊接。在這一基礎(chǔ)上，部分熔點(diǎn)較高的金屬材料就能夠得到更加精準(zhǔn)和高質(zhì)量的加工。其次，使用激光技術(shù)進(jìn)行金屬材料加工，能夠在最大程度上對(duì)金屬材料局部熔化的規(guī)模加以控制。因此，在進(jìn)行切割或焊接加工之后，金屬工件表面形成的毛刺就比較少。因此，在完成激光加工之后，不需要對(duì)金屬工件進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的精加工。從這一角度上看，激光技術(shù)不僅能夠提升金屬加工的質(zhì)量，而且能夠提升金屬加工的效率。

3 激光技術(shù)在金屬加工中的具體應(yīng)用

通過研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的金屬材料加工技術(shù)相比，激光技術(shù)具有比較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因而具備了比較大的應(yīng)用價(jià)值。而在應(yīng)用激光技術(shù)進(jìn)行金屬加工的過程中，該技術(shù)主要用于深熔焊接、傳導(dǎo)焊接、激光切割三個(gè)方面。根據(jù)具體加工內(nèi)容，可以將上述加工技術(shù)分為切割技術(shù)和焊接技術(shù)兩種具體類型。而在本文中，將針對(duì)上述三種激光金屬材料加工技術(shù)進(jìn)行全面研究和闡述，并在這一基礎(chǔ)上闡述上述技術(shù)的具體應(yīng)用方法和應(yīng)用價(jià)值。

3.1 深熔焊接

在使用激光進(jìn)行金屬加工的過程中，深熔焊接技術(shù)主要用于機(jī)械制造領(lǐng)域。在使用深熔焊接技術(shù)時(shí)，需要將激光功率密度調(diào)整到適合其焊接操作的范圍。具體來(lái)說，深熔焊接的功率密度以102-104KW/cm2為最佳。在將功率密度調(diào)整到上述范圍內(nèi)之后，激光的功率輸入速度就會(huì)超過熱導(dǎo)的傳輸速度，并且前者的數(shù)據(jù)指標(biāo)將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過后者。在這一前提下，使用激光照射工件表面，就會(huì)導(dǎo)致工件材料表面迅速氣化，并在這一基礎(chǔ)上產(chǎn)生小孔。之后，激光束會(huì)順著小孔不斷向下傳輸，同時(shí)促使金屬工件產(chǎn)生比較精準(zhǔn)和快速的熔化。在這一過程中，直接接受激光照射的金屬工件會(huì)產(chǎn)生熔化現(xiàn)象。而不直接受到激光照射的金屬工件表面并不會(huì)產(chǎn)生熔化，其溫度也不會(huì)出現(xiàn)大幅度的提升。此外，通過對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，使用該技術(shù)進(jìn)行金屬材料的焊接，能夠在保證加工精度的基礎(chǔ)上有效提升加工效率和質(zhì)量。從這一角度上看，該技術(shù)在金屬材料加工中具有比較大的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 傳導(dǎo)焊接

在各種類型的激光焊接技術(shù)中，傳導(dǎo)焊接也是一種比較常見的技術(shù)，該技術(shù)又名熱傳導(dǎo)焊接技術(shù)。該技術(shù)屬于激光焊接技術(shù)中最常見，也是應(yīng)用最為廣泛的一種類型。該技術(shù)的最主要應(yīng)用原理就是使用激光直接對(duì)金屬工件表面進(jìn)行照射，獲得比較高的溫度，并在這一基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬工件的有效焊接。在照射金屬工件表面之后，由于金屬存在熱傳導(dǎo)特性，因而表面的高溫會(huì)逐漸傳導(dǎo)到金屬工件內(nèi)部。在零件表面和內(nèi)部溫度均達(dá)到熔點(diǎn)以上之后，就會(huì)出現(xiàn)熔池。在這一基礎(chǔ)上，金屬工件的焊接工作就能夠完成。與深熔焊接技術(shù)相比，傳導(dǎo)焊接的應(yīng)用范圍更加廣泛。但是在加工精度和加工質(zhì)量方面，該技術(shù)還存在比較大的提升空間。因此，傳導(dǎo)焊接主要適用于對(duì)金屬加工精度要求你相對(duì)較小的金屬加工。

此外需要看到，深熔焊接和傳導(dǎo)焊接均屬于激光焊接技術(shù)。與傳統(tǒng)的金屬焊接技術(shù)相比，激光焊接技術(shù)具備的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括加工成本低、焊接質(zhì)量好兩方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)需要看到，在進(jìn)行金屬材料加工的過程中，采用激光焊接技術(shù)進(jìn)行工件焊接還能夠保證金屬工件內(nèi)部得到充分焊接，在此基礎(chǔ)上，焊縫的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等指標(biāo)數(shù)據(jù)都能夠得到進(jìn)一步提升。但是與傳統(tǒng)的焊接設(shè)備相比，激光焊接技術(shù)設(shè)備的采購(gòu)成本相對(duì)較高，因此，金屬加工企業(yè)需要根據(jù)自身的實(shí)際情況選擇適合自身特點(diǎn)的金屬焊接技術(shù)。

3.3 激光切割

在激光金屬加工技術(shù)中，激光切割是與激光焊接相對(duì)的一種技術(shù)表現(xiàn)形式。在當(dāng)下，金屬材料加工企業(yè)主要使用聚焦鏡實(shí)現(xiàn)激光的聚焦，并在這一基礎(chǔ)上利用經(jīng)過聚焦之后的激光對(duì)金屬工件表面進(jìn)行照射和切割加工。在進(jìn)行切割過程中，由于激光經(jīng)過了聚焦，因而其產(chǎn)生的光輻射強(qiáng)度更高。這一特性就會(huì)導(dǎo)致工件表面快速形成接近甚至超過金屬熔點(diǎn)的溫度。在工件表面溫度達(dá)到熔點(diǎn)之后，金屬就會(huì)發(fā)生局部熔化，并在這一基礎(chǔ)上完成金屬切割。在切割過程中，金屬工件的移動(dòng)速度需要控制在70 米/分鐘左右。最主要的原因是由于速度過快會(huì)導(dǎo)致激光發(fā)生偏移，而移動(dòng)速度過慢則會(huì)造成能源浪費(fèi)，同時(shí)加大安全風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)金屬切割技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在金屬材料加工工作中，激光切割技術(shù)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。具體來(lái)說，首先，除了極少數(shù)熔點(diǎn)非常高或者化學(xué)性質(zhì)非常不穩(wěn)定的金屬材料外，激光切割技術(shù)可以對(duì)大多數(shù)金屬材料進(jìn)行切割。因此，在汽車制造、電子元器件加工等領(lǐng)域，激光切割技術(shù)具有比較大的應(yīng)用價(jià)值；其次，由于激光照射會(huì)導(dǎo)致金屬工件表面快速產(chǎn)生比較高的溫度，因而激光切割技術(shù)能夠?qū)Υ蠖鄶?shù)尺寸的金屬工件進(jìn)行切割加工。

4 結(jié)論

綜上所述，在金屬材料加工工藝中，激光技術(shù)是比較先進(jìn)的加工技術(shù)，其應(yīng)用范圍也比較廣泛。在汽車制造、機(jī)械加工等領(lǐng)域中，激光技術(shù)都得到了比較廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的金屬材料切割和焊接技術(shù)相比，激光切割與焊接技術(shù)不僅加工速度好，而且有比較高的加工質(zhì)量和加工精度。因此，其在金屬材料加工中具有比較大的應(yīng)用價(jià)值。而在應(yīng)用激光技術(shù)進(jìn)行金屬材料加工時(shí)，主要的技術(shù)應(yīng)用方式包括傳導(dǎo)焊接、深熔焊接和金屬切割三種。在本文所述當(dāng)中，重點(diǎn)闡述了上述三種激光金屬加工技術(shù)的應(yīng)用方法和應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，在研究過程中對(duì)不同類型的激光技術(shù)在金屬加工中的優(yōu)勢(shì)和技術(shù)缺陷進(jìn)行了比較全面的研究和闡述。通過本研究，一方面希望推動(dòng)激光加工技術(shù)得到更加廣泛的應(yīng)用，另一方面則希望能夠促進(jìn)激光技術(shù)應(yīng)用水平的進(jìn)一步提升。