激光加工技术在机械制造中的应用

刘迅，李东艳

（潍坊工程职业学院，山东青州262500）

激光加工技术在机械制造中的应用

刘迅，李东艳

（潍坊工程职业学院，山东青州262500）

大功率激光器件的发展促进了激光加工技术的研究和应用。介绍了激光切割、激光焊接、激光熔覆和激光增材制造在机械制造中的应用现状。

激光加工；制造；应用

激光是受激辐射光放大的简称。微观粒子具有一系列特定的能级。若处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数，这种分布与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转，如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。处于高能级E2上的粒子当有频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。这意味着原来的光信号被放大。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。

激光具有亮度高、方向性好、高单色性和高相干性的特点，广泛应用于通讯、医学、军事、工业等领域。随着大功率激光器件的发展，CO2激光器的最大功率可达45 kW，能量密度达106-8J·cm-2，高功率半导体激光器的效率可达30～50%，使用寿命5 000～10 000 h[1]，配套制造系统也相应发展，从而使激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光增材制造等激光加工技术在制造业发挥着越来越重要的作用。

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，使照射处温度急剧上升，材料气化后蒸汽快速排出或熔化后在辅助气体的作用下排出液态材料和熔渣，形成切缝。

激光切割可用于加工钢材、铝合金、钛合金等金属材料，也可用于加工玻璃、陶瓷、塑料等非金属材料。激光切割是无接触加工，工件无机械变形；激光束对非激光照射部位没有影响或影响极小，其热影响的区域小，工件热变形小。切口细窄，切缝表面光洁美观，切割质量好。激光切割速度快，柔性高，可以节省模具投资，节省生产成本。

在汽车行业，用激光三维切割取代冲孔和修边模生产车身覆盖件，极大缩短了新车的研发周期和汽车的生产周期[2]。

在工程机械行业，日本已将激光下料作为标准工艺手段，我国的三一重工、徐工、山推等也相继引进了大幅面激光切割机[3]。

在航空航天工业，激光切割加工的零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、航天飞机陶瓷隔热瓦等[4]。

2 激光焊接

激光焊接是以激光这种高能束为热源加热工件，使材料熔化实现连接的焊接方式。激光焊接属于非接触式焊接，偶尔需要填料金属，根据材质不同需使用对应的保护气体防止熔池氧化。激光焊接速度快，灵活程度高，几乎没有焊接变形，不需要焊后热处理。

在航空领域，用激光焊接铝合金取代传统的铆接工艺，使飞机机身重量减轻了约20%，成本节约了20%以上[2]。激光焊接在空客A318、A380等机型上的成功应用[4]被誉为航空制造业中的一大技术革命。我国巩水利团队突破了轻质合金激光焊接的关键技术，利用自主研发的双光束激光填丝复合焊接装置，实现了大型薄壁结构T型接头双光束双侧同步焊接，并成功应用于某机型带筋壁板关键结构件的焊接制造中，为我国新型飞机的研制发挥了重要作用。巩水利于2013年获得国际上焊接领域最高学术奖-布鲁克奖。

在汽车工业，克莱斯勒公司最早将激光焊接应用于变速箱齿轮的焊接，这是激光焊接在该领域的首次应用。美国福特汽车公司用激光焊接车轮轮盘钢圈。激光焊接广泛应用于排气管、滤清器、传动轴等汽车零部件生产。激光焊接在汽车制造中的又一应用是激光拼焊，即根据车身不同的设计和性能要求，将不同材质、不同厚度的板材拼装焊接成一个整体。激光拼焊广泛应用于行李箱加强板、车门内板、保险杠、中立柱等车身部位，减轻了车身重量，提高了刚度，改善了振动特性。车门、顶盖与侧围等车身总成与分总成也广泛应用了激光焊接[5，6]。

3 激光熔覆

激光熔覆是将粉末状熔覆材料（有时也用线材或板材）以预置或同步方式放置于基体的表面，在高能激光束的作用下，熔覆材料和基体的表面薄层熔化并快速凝固从而形成一表面改性涂层，该涂层根据需求不同可具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温、耐氧化等特点。激光熔覆对基体热影响小、冷却速度快，涂层晶粒细小，熔覆层稀释率小、与基体为良好的冶金结合，粉末选择范围广泛，易于实现自动化。

激光熔覆当前主要应用于制造过程中对材料进行表面改性和对损坏的产品进行修复。如英国Rolls Royce公司较早应用激光熔覆技术对发动机进行硬面熔覆，大大提高了其硬度和耐磨性[7]。美国AVCO公司对汽车排气门激光熔覆Stellite合金，提高了排气门的耐磨损、耐腐蚀和抗冲击性能，降低了生产成本[8]。激光熔覆技术还可应用于汽车换向器、齿轮等零部件的制造。模具和轧辊制造领域也广泛使用激光熔覆技术改善其表面硬度、耐磨性、耐高温等性能，提高使用寿命[9]。激光熔覆技术也成功应用于发动机叶片、汽车曲轴、模具等零部件的修复，修复后的零件性能可以达到甚至超过新品，而成本却大大减少。

4 激光增材制造

激光增材制造，俗称3D打印，以高功率激光为能量源，以合金粉末或丝材为原料，依据三维模型数据分层制造，逐层累加，将CAD数字模型制造成三维实体零件。按成形原理主要分成激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）和激光金属直接成形（Laser Metal Direct Forming，LMDF）[10]。激光选区熔化是先将粉末铺好，然后高能激光束按照预定的路径扫描金属粉末使其完全熔化，最后冷却凝固成形。激光金属直接成形则是按照预定的加工路径，采用激光束将同步送入的金属粉末熔化然后快速凝固，逐层堆积成形。

激光增材制造技术柔性高、无模具、制造流程短，可加工难熔、难切削、高活性材料，可加工结构复杂及薄壁零件，零件综合力学性能优异。

美国GE公司利用SLM技术制造了航空发动机叶轮和燃料喷嘴，西班牙的Salamanca大学利用SLM技术制造出钛合金胸骨和肋骨，并成功植入胸廓癌患者体内[10]。美国AeroMet公司采用激光增材制造技术生产的钛合金小型、次承力构件于2002年通过了在F/A-18等飞机上的验证考核并实现了装机应用，但未能突破大型、主承力构件的关键技术，2005年被迫关闭。北京航空航天大学王华明团队与“产学研”合作单位共同努力，2005年使我国成为国际上第二个实现激光增材制造钛合金小型、次承力构件装机应用的国家，随后又突破了大型、主承力构件制造的关键技术，使我国成为目前世界上唯一突破该技术的国家[11]，并在C919大型客机的生产中实现了工程应用，获得了国家技术发明一等奖。

5 结束语

激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光增材制造、激光打孔、激光打标、激光表面热处理等激光加工技术在机械制造中得到了广泛的应用。某些技术在产品组织缺陷和力学性能等方面仍然存在着瓶颈难题，大量的研究工作正在开展。激光器和激光加工工艺的发展使激光制造技术有着广阔的应用前景。

[1]张建斌，余冬梅.钛及钛合金的激光表面处理研究进展[J].稀有金属材料与工程，2015，44（1）：247-254.

[2]左铁钏，陈虹.21世纪的绿色制造-激光制造技术及应用[J].机械工程学报，2009，45（10）：106-110.

[3]尹杰.激光加工技术在工程机械制造中的应用探讨[J].工程机械，2011，42（9）：50-53.

[4]辛晨光.激光制造技术的应用与展望[J].现代制造工程，2012，（9）：130-134.

[5]陈根余.激光焊接技术在汽车制造中的应用与激光组焊单元设计[J].电焊机，2010，40（5）：32-38.

[6]陈根余.激光焊接、切割在汽车制造中的应用[J].激光与光电子学进展，2009，（9）：17-23.

[7]左铁钏.激光制造技术在航空领域中的应用[J].航空制造技术，2008，（21）：32-34.

[8]常成.激光熔覆技术及其在汽车工业中的应用[J].湖北汽车工业学院学报，2016，30（2）：49-53.

[9]杨宁.激光熔覆技术的发展现状及应用[J].热加工工艺，2011，40（8）：118-120.

[10]杨强.激光增材制造技术的研究现状及发展趋势[J].航空制造技术，2016，（12）：26-31.

[11]王华明.高性能大型金属构件激光增材制造：若干材料基础问题[J].航空学报，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">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0300-03

2017-02-18

刘迅（1979-），女，山东人，硕士，讲师，主要研究方向：机电一体化。