激光加工技术在五金刀剪行业中的应用分析

程 格，栗子林

（1.阳江职业技术学院，广东 阳江 529500；2.阳江市五金刀剪产业技术研究院，广东 阳江 529500）

1 我国五金刀剪的加工现状

五金刀剪是与人类生活息息相关的工具。目前，五金刀剪的加工制作主要依靠传统的制造方法，比如刀剪刀坯下料主要依靠开模冲压与线切割，刀柄与刀体的连接采用电弧焊接方法或者手工TIG焊接，刀剪性能主要通过材料热处理进行提高等。随着人们生活水平的日益提高，传统方法制造出的刀剪性能已无法满足人们对高端刀剪使用性能的追求。

近些年来，激光加工技术发展迅速，国内的一些五金刀剪制造企业将激光加工技术应用到生产过程中，明显提高了刀剪的使用性能，降低了企业的生产成本，提升了企业自身的市场竞争力。

2 先进激光加工技术的特点

激光技术是20世纪60年代兴起的一门新兴技术，主要是利用光的能量过透镜聚焦，在焦点处达到很高的能量密度，靠光热效应对材料进行加工处理[1]。目前，激光加工技术包括激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光淬火、激光表面合金化、激光表面非晶化、激光打标以及激光微加工等诸多技术，并在实际生产中获得了广泛应用[2]。

激光加工技术主要有以下优点：①局部区域加工。激光束作用区域范围小，可以实现局部加工，同时对非激光照射部位影响极小，工件变形小。②非接触加工。由于激光加工属非接触加工，加工过程中无刀具磨损，无外力作用于工件，同时由于激光束能量密度高、移动速度快，可以实现多种加工的目的。③加工灵活，易于实现自动化。激光束易于导向、聚焦实现各方向变换，通过与机器人等数控设备配合，加工方法灵活，自动化程度高。④加工材料范围广。激光加工不仅可以应用于金属材料，还可以对非金属材料进行加工，特别是对高硬度、高脆性材料，更能发挥其优势。⑤加工效率高。由于激光束能量密度高，加工速度快，因此生产效率高，质量可靠，经济效益好。

3 激光加工技术的主要应用

3.1 激光切割技术在五金刀剪行业的应用

传统的刀剪切割下料主要依靠开模冲压与线切割，生产周期长，后续处理工序多，甚至复杂形状的刀剪产品及特种材料难以开模下料。将激光切割技术应用于五金刀剪行业，可以直接按照设计好的刀剪图形进行切割下料，快速加工出新产品，效率高，并且可以解决上述传统加工存在的各种问题。在刀剪新产品开发及加工特殊形状刀剪时，激光加工效率高、不受形状限制的优势更能显示出来。图1为激光切割刀剪新产品，新产品的锐利尖角和特殊形状是传统开模冲压加工方法无法实现的。

图1 激光切割刀剪新产品

3.2 激光焊接技术在五金刀剪行业的应用

在五金刀剪行业，焊接应用场合主要有刀柄与刀体的焊接和将高端材料焊接到刀刃部位。通常采用TiG焊接方法，焊接热输入较大，造成焊缝的热影响区晶粒粗大，力学性能较差，导致刀具在剁或拍的使用过程中很容易从焊接部分断裂，影响刀具的使用寿命。激光焊接技术因其特有的技术优势，如激光功率密度很高、焊接速度快、热输入小、焊缝热影响区小、晶粒细小等，可以很好地解决上述刀具断裂、焊缝区组织性能差等问题。激光焊接一般搭载在机床或机械手臂上进行移动工作，自动化程度比较高，将激光焊接应用到五金刀剪行业，可以大大提升刀具焊接效率，提高焊接质量稳定性，同时降低劳动力成本。目前，一些大型刀具企业已经将激光焊接技术引入刀具焊接过程中，焊接效率大大提高，焊接缺陷问题得到很好的改善，并取得了良好的经济效益。

3.3 激光熔覆技术在五金刀剪行业的应用

“好钢用在刀刃上”，刀具的性能决定于刀刃。激光熔覆技术是采用激光作为热源，将粉末材料熔覆到材料表面，从而能提高材料的表面性能。因此，利用激光熔覆技术，将性能优异的粉末熔覆到刀刃表面，再通过打磨、抛光、开刃处理，从而显著提高刀刃的综合使用性能，其中，熔覆材料是影响激光熔覆刀刃综合性能最基本的因素。目前，已开发出来的适合刀刃的金属粉末材料种类很多，包括Ni基、Co基、Fe基以及Ti基等[3]。由于厨房刀具种类很多，包括菜刀、斩骨刀、片刀、水果刀、面包刀等，不同的刀具使用性能要求不一样，可以根据不同刀具的使用用途，相应地选择合适的粉末或粉末配方进行刀刃激光熔覆强化，从而使刀具获得最佳的综合性能。法国著名的TB集团已经采用激光熔覆技术成功地生产出了激光熔覆刀，并实现了产业化生产。图2是阳江某研究机构成功开发的激光熔覆刀样品，所用粉末配方是自主开发。经测试，刀具的锋利度是传统刀具的3倍以上，锋利持久性是传统刀具的4倍以上，市场前景广阔。

图2 激光熔覆刀图

3.4 激光淬火技术在五金刀剪行业的应用

五金刀剪的刀刃一般是在高速旋转的砂带机或圆盘砂轮机上进行磨削开刃处理，由于旋转速度快，热量积累快，刀刃部位温度升高后极易发生退火，直接影响刀刃的使用性能。而激光淬火技术通过把激光束汇聚，可以将淬火宽度控制得很小，这种局部强化处理的技术优势可以在刀刃淬火上得到充分体现。由于刀刃部位宽度比较小（＜2 mm），且刀刃部位退火严重，利用激光淬火技术对刀刃局部进行强化处理，进而延长刀具的使用寿命。姜卓[4]利用半导体激光器对30Cr13马氏体不锈钢制作的手术刀刃的刀刃进行淬火处理，结果表明刀刃硬化层总深度达到0.62 mm（其中，顶端微熔区部分0.17 mm，有效硬化层深度0.45 mm），并且硬化层的硬度达到648HV0.1，比基体的硬度高出近100HV0.1，刀刃部位的硬度和耐磨性明显提高，效果良好。

3.5 激光表面合金化技术的应用

激光表面合金化技术是利用高能量密度的激光束加热材料表面，使材料表层和添加的合金元素熔化混合，形成新的高性能的表面合金层。姚建华[5]等采用大功率高速宽带扫描的方法在不锈钢刀刃表面进行激光合金化，结果表明，不锈钢厨刀刃口的合金化层深度达到0.01～0.08 mm，显微硬度为HV900～1 200，较强化前的硬度提高78.5%，耐磨性提高了2.5倍，同时，激光合金化层的硬度呈连续梯度过渡，通过激光合金化得到的回火区可以保持刃口韧性，大大提高了刀具的性能。

4 总结与展望

激光加工技术涉及材料科学、机械加工、自动化技术等，是一门综合性很强的先进制造加工技术，一些相对成熟的激光加工技术已经应用到了刀具行业，并显示出其巨大的技术优越性。随着相关科研人员和工程技术人员的不断努力，一些技术门槛更高的激光加工技术，比如激光表面纳米化、激光表面非晶化、激光表面冲击强化、激光微纳造型等技术，也将逐渐应用到刀剪行业，并将对刀剪行业产生更加深远的影响。

参考文献：

［1］姚蔡翔.激光加工原理、应用现状与展望［J］.山东工业技术，2013（15）：12-14.

［2］瞿伟成，杨博程，刘延辉，等.激光表面加工技术的发展与现状［J］.热加工工艺，2017（20）：38-41.

［3］董冬梅，陈菊芳，雷卫宁，等.激光熔覆的研究现状［J］.热加工工艺，2017（16）：9-13.

［4］姜卓.医用不锈钢器材激光淬火技术研究［J］.热处理，2015，30（6）：37-40.

［5］姚建华，熊缨，陈智君，等.不锈钢刀具刃口激光表面强化组织性能研究［J］.新技术新工艺，2002（3）：43-44.