激光加工技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

路媛媛

（湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430068）

激光加工技術(shù)主要是利用激光束，使其與材料相互作用，這是該技術(shù)的操作核心。根據(jù)加工方式的不同將其分為兩組，一是激光熱加工，二是光化學(xué)反應(yīng)加工。前者是激光束產(chǎn)生了熱效應(yīng)，后者則充分利用高密度高能光子，通過化學(xué)反應(yīng)來完成加工。當(dāng)前伴隨我國應(yīng)用技術(shù)水平的不斷提高，激光加工技術(shù)也得到了進(jìn)一步完善，對于機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。在彌補(bǔ)不足的同時，有效提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

1 激光加工技術(shù)的特點(diǎn)

激光加工是較為典型的現(xiàn)代化技術(shù)，集智能化與先進(jìn)性為一體，實(shí)現(xiàn)了多種技術(shù)的有機(jī)融合。激光加工技術(shù)的原理主要是借助激光束的性能，使其與材料相互作用，從而使材料發(fā)生形態(tài)變化，因激光束具有高能密度性，提高了激光加工技術(shù)的精確度，再加上環(huán)保無污染的優(yōu)勢，該技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在其他制造加工技術(shù)的前列。與其他加工技術(shù)相比，激光加工技術(shù)不需要過多的材料就可以事先規(guī)?；a(chǎn)，且能夠較好的適應(yīng)加工材料的特性，對于生產(chǎn)效益的提升大有助益。

1.1 激光加工技術(shù)在機(jī)械制造中的主要特點(diǎn)

（1）功率大，能夠適用于各種新型材料，只要吸收了足夠的激光熱量，便可在短時間內(nèi)變化材料的形態(tài)。激光頭與加工件不會直接接觸，因此不會產(chǎn)生磨損問題。

（2）加工操作不受工件動靜態(tài)的限制，即便是被密封的材料，也可以進(jìn)行加工。

（3）材料的激光加工全程受電子計算機(jī)控制，激光束更加準(zhǔn)確，機(jī)械加工也更加精密，實(shí)現(xiàn)了自動化操作。

（4）激光加工不受外界環(huán)境的影響，機(jī)械化操控能夠彌補(bǔ)人為操作的不足之處，確保加工工作的順利開展。

1.2 激光加工技術(shù)的干擾因素

（1）激光的照射時間和輸出功率都會直接影響到激光加工技術(shù)，一般情況下，激光輸出功率越大，照射時間越長，工件能量也會隨之加大。如果固定焦點(diǎn)位置，激光加工孔還會有一定程度上的增大。激光能量需要發(fā)散，由照射時間決定，如果時間過短，導(dǎo)致能量過密，從而拉低了激光的使用效率。

（2）在聚焦物鏡的作用下，焦距與發(fā)散角就會發(fā)生功率反應(yīng)，此時焦面上的光斑直徑?jīng)Q定了激光的功率密度，密度大，表現(xiàn)為打孔深而小。

（3）焦點(diǎn)位置與工件表面的距離過大，會產(chǎn)生喇叭口的切口，在能量密度的作用下，焦點(diǎn)位置升高，工作表面的激光存在焦點(diǎn)過低，工件會出現(xiàn)較大的尖面斑點(diǎn)。

2 激光加工在機(jī)械制造中的應(yīng)用

2.1 材料處理

激光加工技術(shù)在材料處理中的應(yīng)用，通常采用熱處理表面強(qiáng)化技術(shù)，表面處理的技術(shù)原理是對材料表面進(jìn)行加熱，使其升溫將近熔點(diǎn)時，材料的形態(tài)就會出現(xiàn)變化。而通過激光加工技術(shù)，則延伸了傳統(tǒng)熱處理技術(shù)的工作原理，材料經(jīng)激光加工處理后，其使用壽命得到了延長，各方面性能也會提升，主要體現(xiàn)在耐腐蝕性和抗疲勞性兩方面。因其在材料處理方面的優(yōu)勢，經(jīng)過激光加工技術(shù)的產(chǎn)品具有更大的市場競爭優(yōu)勢。激光技術(shù)不僅可以單獨(dú)采用，還能夠結(jié)合其他技術(shù)，從而創(chuàng)建出一種新的材料處理模式。例如激光技術(shù)與CAD技術(shù)的有效結(jié)合，為機(jī)械制造材料處理注入了新的發(fā)展動力，其中CAD技術(shù)是基于計算機(jī)系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計工作，通過計算機(jī)的控制，在完成零件造型設(shè)計工作后，還需要利用激光技術(shù)進(jìn)行材料的二次加工。運(yùn)用CAD技術(shù)所建立的零件模型更加直觀、精確，不僅降低了零件的制造難度，也便于修改，能夠保證最終設(shè)計產(chǎn)品的完整性。在機(jī)械制造過程中，零件必須符合精密度標(biāo)準(zhǔn)，像一些曲面零件的加工難度較大，且設(shè)計復(fù)雜，此時結(jié)合激光技術(shù)和CAD技術(shù)的優(yōu)勢，能夠在降低生產(chǎn)難度的同時，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

就材料加工處理這項工作來說，打孔環(huán)節(jié)至關(guān)重要，油孔、定位孔和緊固孔都是常見的幾種加工孔類型，通孔的質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)會直接影響到零件性能。與傳統(tǒng)機(jī)械打孔相比，激光加工的打孔效果更優(yōu)，利用該技術(shù)打孔，其孔壁形狀標(biāo)準(zhǔn)，且更加平滑，如表1所示。根據(jù)圖1可知，孔深和孔徑通過激光加工，會隨著時間的變化而變化，由此可見，在激光打孔的初始階段，孔深和孔徑會有一定幅度的增長，但時間越長，兩者的增長速度放緩，出現(xiàn)這種情況的原因是激光散焦能量的降低，更多的激光熱源轉(zhuǎn)向了材料內(nèi)部，此時的加工目的是去除多余的材料，因此孔深和孔徑不會出現(xiàn)太大的變化。

表1 激光加工與機(jī)械加工打孔在孔徑和孔壁粗糙度方面的對比

圖1 激光加工下孔深、孔徑隨時間變化的曲線

2.2 材料修復(fù)

主要利用了激光熔覆技術(shù)，工作原理是按照不同的填料方式，將涂層材料放置在材料表面，經(jīng)過激光照射，材料表面的薄層和涂層材料開始熔化，以此來改善材料的物理性能，增強(qiáng)其耐磨、耐熱、耐腐蝕性。一般情況下，經(jīng)過表面修復(fù)處理的材料硬度與之前相比高出了幾十倍，以60#鋼經(jīng)碳鎢為例，通過激光熔覆處理，其硬度高達(dá)2200HV甚至更多，耐腐蝕性也得到了有效的提升。此外，材料的本質(zhì)不會受到激光熔覆技術(shù)的影響，在某些方面能夠節(jié)省成本，還可以全面提升材料的性能，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，以便于更好的滿足生產(chǎn)要求。

2.3 激光切割

激光切割往往用于汽車行業(yè)、工程機(jī)械行業(yè)以及航空航天工業(yè)。通過激光束來照射工件，被照射的部位急速升溫，材料開始?xì)饣?，在排出蒸汽或熔渣之后，最終形成切縫。激光切割技術(shù)多用于鋼材、鋁合金、鈦合金等金屬材料的加工，對于非金屬材料，包括陶瓷、塑料和加工玻璃等同樣適用。經(jīng)過激光切割的工件不會出現(xiàn)機(jī)械變形的問題，激光束也不會對材料造成太大的影響，照射過程中所產(chǎn)生的熱影響可以忽略不計。該技術(shù)制造出來的材料切口細(xì)窄，切縫整齊美觀，且切割速度快、質(zhì)量好、柔性高，不需要過多的模具投資便可獲得經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 激光焊接

激光焊接是充分利用激光的熱源性能，對工件進(jìn)行加熱，使其熔化，便于后續(xù)的連接。激光焊接不需要證明接觸式，主要做好金屬填料的工作，維持好熔池的氧化性，就可以完成材料焊接。該技術(shù)具有速度快、操作簡便、不易變形、靈活程度高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，激光焊接有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鉚接工藝的缺陷，不但飛機(jī)的機(jī)身重量減輕了，還節(jié)約了生產(chǎn)成本，對于我國新型飛機(jī)的研制具有積極意義。

2.5 激光增材制造

也稱作3D打印技術(shù)，利用高功率激光，對原料發(fā)射能量源，并根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)，實(shí)行分層制造模式，并逐層累加，最終制造出三維實(shí)體的零部件。按照成形原理的不同，將其分為兩類，一是激光選區(qū)熔化，二是激光金屬直接成形。前者首先要鋪設(shè)粉末，其后控制高能激光束按照金屬粉末的路徑進(jìn)行掃描，最后使其完全熔化后冷固成形。后者則需要按照預(yù)定的加工路徑，將金屬粉末隨著激光束送入不能干熔化，凝固后逐層堆積成形。該技術(shù)流程短、柔性高、適用性強(qiáng)，像一些難熔、難切削的高活性材料都可以采取該種制造技術(shù)，制造出來的零件綜合力學(xué)性能優(yōu)異。

3 激光加工技術(shù)在未來的發(fā)展趨勢

（1）科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新，在全球經(jīng)濟(jì)浪潮的推動下，激光加工技術(shù)已經(jīng)邁入了自動化、智能化的時代，CAD軟件的出現(xiàn)，擴(kuò)大了人工智能的應(yīng)用范圍，激光加工技術(shù)的功能逐步完善，開始用于生產(chǎn)領(lǐng)域。

（2）在人工智能的作用下，激光熱處理、切割和焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)結(jié)合，協(xié)調(diào)分散的關(guān)系，能夠最大限度的發(fā)揮激光加工技術(shù)的整體優(yōu)勢。

（3）激光加工技術(shù)的精準(zhǔn)度得到了進(jìn)一步提升，不僅效率提高了，功能也更加多樣。如機(jī)器人技術(shù)，擴(kuò)大了激光加工的高精準(zhǔn)度優(yōu)勢。

（4）以往10mm以下的工件不能進(jìn)行激光加工，但隨著該技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，彌補(bǔ)了切割下料無法加工的弊端，更多精密的部件完全可以通過計算機(jī)控制來完成激光加工。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段我國激光加工技術(shù)的應(yīng)用還存在缺陷，為了發(fā)揮其作用，要求從事機(jī)械制造行業(yè)的工作人員熟練掌握激光加工技術(shù)的原理與操作方法，為機(jī)械的安全生產(chǎn)提供可靠保障。另外，在機(jī)械制造過程中，相關(guān)工作人員要對材料生產(chǎn)的要求和標(biāo)準(zhǔn)有明確的認(rèn)識，與時俱進(jìn)、不斷創(chuàng)新，促進(jìn)我國機(jī)械制造行業(yè)朝著更好的方向發(fā)展。