激光加工技术在机械制造中的应用

2018-08-23路媛媛

中国设备工程 2018年16期

路媛媛

（湖北工业大学工程技术学院，湖北武汉 430068）

激光加工技术主要是利用激光束，使其与材料相互作用，这是该技术的操作核心。根据加工方式的不同将其分为两组，一是激光热加工，二是光化学反应加工。前者是激光束产生了热效应，后者则充分利用高密度高能光子，通过化学反应来完成加工。当前伴随我国应用技术水平的不断提高，激光加工技术也得到了进一步完善，对于机械制造产业的发展具有积极的现实意义。在弥补不足的同时，有效提高了生产效率和质量。

1 激光加工技术的特点

激光加工是较为典型的现代化技术，集智能化与先进性为一体，实现了多种技术的有机融合。激光加工技术的原理主要是借助激光束的性能，使其与材料相互作用，从而使材料发生形态变化，因激光束具有高能密度性，提高了激光加工技术的精确度，再加上环保无污染的优势，该技术远远走在其他制造加工技术的前列。与其他加工技术相比，激光加工技术不需要过多的材料就可以事先规模化生产，且能够较好的适应加工材料的特性，对于生产效益的提升大有助益。

1.1 激光加工技术在机械制造中的主要特点

（1）功率大，能够适用于各种新型材料，只要吸收了足够的激光热量，便可在短时间内变化材料的形态。激光头与加工件不会直接接触，因此不会产生磨损问题。

（2）加工操作不受工件动静态的限制，即便是被密封的材料，也可以进行加工。

（3）材料的激光加工全程受电子计算机控制，激光束更加准确，机械加工也更加精密，实现了自动化操作。

（4）激光加工不受外界环境的影响，机械化操控能够弥补人为操作的不足之处，确保加工工作的顺利开展。

1.2 激光加工技术的干扰因素

（1）激光的照射时间和输出功率都会直接影响到激光加工技术，一般情况下，激光输出功率越大，照射时间越长，工件能量也会随之加大。如果固定焦点位置，激光加工孔还会有一定程度上的增大。激光能量需要发散，由照射时间决定，如果时间过短，导致能量过密，从而拉低了激光的使用效率。

（2）在聚焦物镜的作用下，焦距与发散角就会发生功率反应，此时焦面上的光斑直径决定了激光的功率密度，密度大，表现为打孔深而小。

（3）焦点位置与工件表面的距离过大，会产生喇叭口的切口，在能量密度的作用下，焦点位置升高，工作表面的激光存在焦点过低，工件会出现较大的尖面斑点。

2 激光加工在机械制造中的应用

2.1 材料处理

激光加工技术在材料处理中的应用，通常采用热处理表面强化技术，表面处理的技术原理是对材料表面进行加热，使其升温将近熔点时，材料的形态就会出现变化。而通过激光加工技术，则延伸了传统热处理技术的工作原理，材料经激光加工处理后，其使用寿命得到了延长，各方面性能也会提升，主要体现在耐腐蚀性和抗疲劳性两方面。因其在材料处理方面的优势，经过激光加工技术的产品具有更大的市场竞争优势。激光技术不仅可以单独采用，还能够结合其他技术，从而创建出一种新的材料处理模式。例如激光技术与CAD技术的有效结合，为机械制造材料处理注入了新的发展动力，其中CAD技术是基于计算机系统来进行设计工作，通过计算机的控制，在完成零件造型设计工作后，还需要利用激光技术进行材料的二次加工。运用CAD技术所建立的零件模型更加直观、精确，不仅降低了零件的制造难度，也便于修改，能够保证最终设计产品的完整性。在机械制造过程中，零件必须符合精密度标准，像一些曲面零件的加工难度较大，且设计复杂，此时结合激光技术和CAD技术的优势，能够在降低生产难度的同时，进一步提高产品的生产效率与质量。

就材料加工处理这项工作来说，打孔环节至关重要，油孔、定位孔和紧固孔都是常见的几种加工孔类型，通孔的质量是否达标会直接影响到零件性能。与传统机械打孔相比，激光加工的打孔效果更优，利用该技术打孔，其孔壁形状标准，且更加平滑，如表1所示。根据图1可知，孔深和孔径通过激光加工，会随着时间的变化而变化，由此可见，在激光打孔的初始阶段，孔深和孔径会有一定幅度的增长，但时间越长，两者的增长速度放缓，出现这种情况的原因是激光散焦能量的降低，更多的激光热源转向了材料内部，此时的加工目的是去除多余的材料，因此孔深和孔径不会出现太大的变化。

表1 激光加工与机械加工打孔在孔径和孔壁粗糙度方面的对比

图1 激光加工下孔深、孔径随时间变化的曲线

2.2 材料修复

主要利用了激光熔覆技术，工作原理是按照不同的填料方式，将涂层材料放置在材料表面，经过激光照射，材料表面的薄层和涂层材料开始熔化，以此来改善材料的物理性能，增强其耐磨、耐热、耐腐蚀性。一般情况下，经过表面修复处理的材料硬度与之前相比高出了几十倍，以60#钢经碳钨为例，通过激光熔覆处理，其硬度高达2200HV甚至更多，耐腐蚀性也得到了有效的提升。此外，材料的本质不会受到激光熔覆技术的影响，在某些方面能够节省成本，还可以全面提升材料的性能，提高产品的质量，以便于更好的满足生产要求。

2.3 激光切割

激光切割往往用于汽车行业、工程机械行业以及航空航天工业。通过激光束来照射工件，被照射的部位急速升温，材料开始气化，在排出蒸汽或熔渣之后，最终形成切缝。激光切割技术多用于钢材、铝合金、钛合金等金属材料的加工，对于非金属材料，包括陶瓷、塑料和加工玻璃等同样适用。经过激光切割的工件不会出现机械变形的问题，激光束也不会对材料造成太大的影响，照射过程中所产生的热影响可以忽略不计。该技术制造出来的材料切口细窄，切缝整齐美观，且切割速度快、质量好、柔性高，不需要过多的模具投资便可获得经济效益。

2.4 激光焊接

激光焊接是充分利用激光的热源性能，对工件进行加热，使其熔化，便于后续的连接。激光焊接不需要证明接触式，主要做好金属填料的工作，维持好熔池的氧化性，就可以完成材料焊接。该技术具有速度快、操作简便、不易变形、灵活程度高的优点，被广泛应用于航空领域，激光焊接有效弥补了传统铆接工艺的缺陷，不但飞机的机身重量减轻了，还节约了生产成本，对于我国新型飞机的研制具有积极意义。

2.5 激光增材制造

也称作3D打印技术，利用高功率激光，对原料发射能量源，并根据三维模型数据，实行分层制造模式，并逐层累加，最终制造出三维实体的零部件。按照成形原理的不同，将其分为两类，一是激光选区熔化，二是激光金属直接成形。前者首先要铺设粉末，其后控制高能激光束按照金属粉末的路径进行扫描，最后使其完全熔化后冷固成形。后者则需要按照预定的加工路径，将金属粉末随着激光束送入不能干熔化，凝固后逐层堆积成形。该技术流程短、柔性高、适用性强，像一些难熔、难切削的高活性材料都可以采取该种制造技术，制造出来的零件综合力学性能优异。