激光精密加工成型技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

張 曌，李嘉寧，2

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

0 前言

激光加工技術(shù)是一種利用激光束作用在物質(zhì)表面或內(nèi)部進(jìn)行焊接、表面處理和微加工材料的先進(jìn)制造技術(shù)，涉及電、光、材料等多門學(xué)科[1]。由于該技術(shù)生產(chǎn)效率高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和環(huán)境污染較小，已被廣泛應(yīng)用于汽車、電子電器、航空、冶金、機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域[2]。與傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)生產(chǎn)中重大技術(shù)突破。激光加工設(shè)備工作能量密度達(dá)（106～1012）W/cm2,通過改變激光參數(shù)可加工金屬、聚合物、陶瓷及其復(fù)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(jié)合；如快速鑄造將激光與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相結(jié)合，利用激光對(duì)單層粉末燒結(jié)成型，降低鑄造時(shí)間與成本；鍛壓激光快速成型將激光與連續(xù)點(diǎn)式鍛壓技術(shù)相結(jié)合，得到成型精度高、形狀復(fù)雜并與鍛件在形狀結(jié)構(gòu)上保持一致的產(chǎn)品；激光電弧復(fù)合焊接成型將電弧焊與激光焊的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，提高了焊縫質(zhì)量、減少氣孔裂紋等缺陷產(chǎn)生，改善焊接接頭適應(yīng)性。激光的極冷極熱特性有利于高純度表面納米晶粒產(chǎn)生，因其吸附效率高、催化活性強(qiáng)被用于生物醫(yī)學(xué)、催化及材料表面改性[5，6]。激光增材制造技術(shù)作為新型激光加工方法，學(xué)者通過改進(jìn)原材料的制備方法、優(yōu)化激光加工性能、建立不同工藝路線等發(fā)揮激光增材制造技術(shù)潛力，增加工業(yè)應(yīng)用效益[7，8]。全威等[9]論述了激光加工技術(shù)在汽輪機(jī)葉片中的應(yīng)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(yīng)用價(jià)值。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔的復(fù)雜加工要求，蔣其麟等[10]通過激光精密加工技術(shù)在不銹鋼渦輪葉片上加工出81 個(gè)高精度、高質(zhì)量的氣膜孔，結(jié)果表明孔徑定位精準(zhǔn)，形狀與大小標(biāo)準(zhǔn)，孔壁光滑，無明顯加工缺陷，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)狀

激光器作為綠色加工技術(shù)的重要支柱，在材料加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[11]。當(dāng)前激光器年產(chǎn)量飛速提高，各項(xiàng)科研成果逐步轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，極大提升了傳統(tǒng)加工業(yè)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(guó)內(nèi)外光電領(lǐng)域的研究對(duì)象，多用于熱變形小、污染小的微型元器件，擁有廣闊發(fā)展空間[12，13]。國(guó)內(nèi)將激光器應(yīng)用于復(fù)雜精密零部件成型，充分發(fā)揮激光加工技術(shù)快速靈活、可靠性高等特點(diǎn)，使激光加工成為精密制造的主力軍，也是制造業(yè)中的一大技術(shù)革命[14]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過激光雙光束焊接技術(shù)降低飛機(jī)壁板T 型結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)[15，16]。美國(guó)與加拿大等公司將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的修復(fù)，德國(guó)一公司研發(fā)出可用修復(fù)整體葉盤葉片的激光焊接技術(shù)[17]。周慶祥等[18]對(duì)激光-MIG 復(fù)合焊后的列車薄壁型材進(jìn)行檢測(cè)，X試驗(yàn)檢測(cè)與有損實(shí)驗(yàn)證明焊接性能良好，焊縫達(dá)合格標(biāo)準(zhǔn)。席明哲等[19]將激光修復(fù)與點(diǎn)式鍛壓技術(shù)結(jié)合，在保證修復(fù)形貌與鍛件一致前提下，提高了TA15 鈦合金屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及塑性，解決了傳統(tǒng)鍛造工藝復(fù)雜、材料利用率低的難題。未來，在激光技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的結(jié)合下，將不斷提高加工自由度與生產(chǎn)效率，創(chuàng)造綠色、高效、低成本的生產(chǎn)模式；在激光技術(shù)與增材制造的不斷融合發(fā)展下，將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工工藝等減材制造產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域新發(fā)展。

1.1 激光精密焊接

傳統(tǒng)焊接工藝難以滿足元器件向微觀化、小型化發(fā)展的需求，激光焊接是利用高能量密度激光束作為熱源進(jìn)行焊接的一種加工手段，由于其高精度、高能量密度等特點(diǎn)可彌補(bǔ)小型元器件焊接的諸多難點(diǎn)，對(duì)特殊結(jié)構(gòu)及材料焊接具有重要意義。方澤等[20]采用遠(yuǎn)程激光焊對(duì)天窗加強(qiáng)環(huán)及與其標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行焊接，在成本可控情況下，生產(chǎn)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(jié)構(gòu)服役可靠性及裝配精度由于焊接變形及殘余應(yīng)力存在而降低，對(duì)焊后缺陷準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)激光焊接應(yīng)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(duì)316 不銹鋼超薄板殘余應(yīng)力和焊接變形的影響,結(jié)果表明試樣變形形貌為橫向凹陷和縱向凸起，實(shí)際溫度場(chǎng)變化和熱循環(huán)模擬結(jié)果吻合。哈爾濱焊接研究院通過激光-電弧復(fù)合焊接完成長(zhǎng)度25m 車身大部件連續(xù)焊接（如圖1），通過對(duì)焊接工藝的研發(fā)與整體設(shè)計(jì)、焊后檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)解決了金屬焊接變形問題，相比于傳統(tǒng)焊接手段效率得到提高，熱變形減小了70%～90%[22]。

圖1 25m 通長(zhǎng)型鋁合金車體大部件激光-電弧復(fù)合焊[22]

激光焊接憑借其優(yōu)良性能已正成為異種金屬及齒輪加工制造業(yè)的主要連接方法；激光復(fù)合焊接技術(shù)也依靠其效率高、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)在制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。Khajanchee 等[23]通過改進(jìn)激光功率和焊接速度，采用CO2激光焊接使焊接接頭獲得實(shí)際生產(chǎn)所需的焊接深度、寬度及強(qiáng)度，成功地應(yīng)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(diǎn)焊進(jìn)行了比較，并通過改變焊縫結(jié)構(gòu)、改變?cè)爻煞?、利用脈沖激光和去除鍍鋅層來提高鍍鋅鋼的激光焊接質(zhì)量。結(jié)果表明，鍍鋅鋼激光焊接過程中鋅的蒸發(fā)會(huì)破壞小孔穩(wěn)定性、促進(jìn)孔洞形成。通過預(yù)去除鋅涂層、改變焊縫結(jié)構(gòu)及化學(xué)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(chǎn)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(shí)間可抑制氣孔的生長(zhǎng)；鋁合金焊接件易產(chǎn)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(yè)裝置中實(shí)施這些技術(shù)的可行性。

圖3 激光焊接在鋁板液壓成形中的應(yīng)用[24]

材料長(zhǎng)期使用性能因耐磨性和尺寸穩(wěn)定性等因素顯著降低，表面處理對(duì)金屬和合金物化特性具有重要意義。材料表面增強(qiáng)取決于增強(qiáng)類型、工藝參數(shù)等，對(duì)于特定的基體和增強(qiáng)體的化學(xué)成分及其制造溫度用傳統(tǒng)增強(qiáng)手段如等離子噴涂、電鍍等難以在基體和增強(qiáng)體顆粒之間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合；通過快速加熱和冷卻方法，對(duì)合金表面形貌進(jìn)行激光處理成為制造精確微觀結(jié)構(gòu)最有效方法之一[25，26]。激光處理時(shí)，不同工藝參數(shù)、涂層成分對(duì)復(fù)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(qū)激光熔化[27]。

1.2 激光熔覆

激光熔覆技術(shù)是一項(xiàng)集激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)和控制技術(shù)于一體的新型多學(xué)科表面強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)，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(yè)領(lǐng)域中，不同機(jī)器部件處于高溫高壓環(huán)境中易磨損腐蝕；激光熔覆技術(shù)以其稀釋率低、熱影響區(qū)小、冶金結(jié)合良好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件的修復(fù)和功能涂層中[29，30]。李會(huì)山等[31]利用激光熔覆技術(shù)對(duì)模具進(jìn)行修復(fù)，通過優(yōu)化激光工藝參數(shù)、加工前預(yù)熱等方法增強(qiáng)抗磨損及抗機(jī)械損傷能力，提高模具修復(fù)質(zhì)量。Yang 等[32]針對(duì)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(jié)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(fù)VT3-1 鈦噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，結(jié)果表明涂層和基體間獲得完美冶金結(jié)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(shù)對(duì)輪軌、制動(dòng)盤、車軸等耐磨部件進(jìn)行修復(fù)，從熱影響區(qū)對(duì)組織演變及服役性能的影響、殘余應(yīng)力的影響、稀釋率較高三方面綜合考慮，并對(duì)未來激光熔覆技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展做出推測(cè)。

圖4 脈沖激光熔覆工藝修復(fù)VT3-1 鈦噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片[33]

1.3 選區(qū)激光熔化

選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM）是一種制造復(fù)雜幾何形狀或化學(xué)梯度的金屬零件增材制造技術(shù)[35]。在SLM 中，熔池以極快冷卻速度凝固，細(xì)化組織結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)機(jī)械性能。SLM分為以下三個(gè)步驟：粉末快速熔化確定熔池金屬均勻性與流動(dòng)性、熔池快速凝固確定微觀結(jié)構(gòu)成形和涂層快速再加熱改變微觀結(jié)構(gòu)，最終材料力學(xué)性能得到改善[36]。蔣佳斌等[37]通過添加LaB6稀土材料增強(qiáng)316L 不銹鋼件力學(xué)性能，如圖5 所示，LaB6/316L 試樣內(nèi)部組織明顯細(xì)化，平均晶粒尺寸約6.0588μm，顯著提高材料顯微硬度、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及耐磨性能。Gu 等[38]研究SLM 制備納米TiC 增強(qiáng)復(fù)合材料平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)。通過將激光能量線密度從225J/m 增加到300J/m，納米TiC 增強(qiáng)體嚴(yán)重團(tuán)聚，沿晶界和晶粒內(nèi)部均勻分布。納米顆粒的形貌由不規(guī)則多邊形轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛐?材料機(jī)械性能顯著提高（如圖6 所示）。使用激光進(jìn)行表面處理或改性將提高微觀結(jié)構(gòu)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(cè)為316L，右側(cè)為316L/LaB6）[37]

圖6 復(fù)合材料平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)[38]

1.4 激光燒結(jié)精密鑄造

隨著工業(yè)科技的發(fā)展，傳統(tǒng)鑄造的方式存在效率低、精度差等難題；激光燒結(jié)技術(shù)已被應(yīng)用于熔模鑄造及消失模鑄造等領(lǐng)域中，極大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。邵中魁等[39]使用激光燒結(jié)技術(shù)獲得高尺寸精度及成型質(zhì)量良好的精密鑄件，通過質(zhì)量評(píng)估確定鑄件精度達(dá)CT6 級(jí)，在工藝、效率及質(zhì)量方面都得到提升，可實(shí)現(xiàn)小批量快速生產(chǎn)（如圖7）。呂樂華等[40]通過調(diào)節(jié)激光功率、燒結(jié)間距及厚度等獲得可降低實(shí)際生產(chǎn)周其余成本的最佳工藝參數(shù)，提高砂芯表面精度及強(qiáng)度，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

圖7 零件支架的精密鑄件[39]

2 展望

激光加工成型技術(shù)利用高能激光束作用于材料表面，在工業(yè)生產(chǎn)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(yè)領(lǐng)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(shí)現(xiàn)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(chǎn)率更高、加工時(shí)間更短的產(chǎn)品，提高硬脆材料在工業(yè)應(yīng)用中性能，極大提高鑄造、鍛壓、焊接生產(chǎn)效率與生產(chǎn)水平。在未來發(fā)展中應(yīng)加強(qiáng)探索與其他加工方式的復(fù)合，將表面化學(xué)改性和微納米特征制造相結(jié)合，進(jìn)一步擴(kuò)大激光成型工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用范圍。