激光加工技术在工程机械制造中的应用研究

2019-01-16尹桂敏

中国设备工程 2019年3期

尹桂敏

（长春大学机械与车辆工程学院，吉林长春 130022）

工程机械制造业在当今中国迅速发展，在国际上也有相当大的发展前景。而我国的工程机械制造业在世界上已经崭露头角，为了进一步巩固我国工程机械制造强国的地位，我们也应当对使用的技术进行改良。所以，将激光加工技术应用于工程机械制造中势在必行，这能够有效的提高工程机械制造的精度和质量，而且拥有很好的应用前景。

1 激光加工技术的基本原理和技术优势

激光加工技术是一项运用了光学、机械、电学等综合、先进的加工技术，是21世纪的万能加工工具。激光加工技术的发展大大推进了整个机械制造业的迅速发展，那么将激光加工技术应用于工程机械制造领域，依靠的基本原理和技术优势又有哪些，接下来我们就激光加工技术的基本原理和技术优势进行研究。

1.1 基本原理

激光实质就是原子在电流等能量的撞击作用下射出的、携带一定能量的、集中朝向某个方向的光子术，光子与原子连锁反应将会产生极高的能量。这种包含着极高能量的激光束照射到工件的表面，在计算机数控的技术下，组成具有机械加工性能的自动化加工设备，以激光的高能，对金属或非金属材料进行切割、焊接、打孔等，具有很高的加工精度的工程机械制造。激光加工技术已经成为当前机械制造行业的关键技术。

1.2 技术优势

激光加工技术是目前最先进的加工技术。它主要使用高效激光雕刻和切割材料。主要设备包括电脑和激光切割机。激光加工技术被广泛使用，加工对象包括几乎所有的金属材料和非金属材料；适合于精密加工，精确细致；激光加工技术操作简单，加工速度快，加工周期短；激光加工技术安全可靠，不会对材料造成机械压力；激光加工技术成本低廉，不需要大的模具；另外激光切割的切割缝隙小，切割面光滑，而且热变形性小；激光加工技术使用计算机编程来最大限度地节省材料。激光加工技术非常适合新产品的开发，非常快速的获得新产品。传统的加工方法已经落后于现在的发展潮流，激光加工技术具有相当多的优点，激光加工技术的应用前景十分广泛。

2 激光加工技术在工程机械制造中的应用

激光加工技术包括激光钻孔技术、激光热处理技术、激光熔覆技术、激光切割技术、激光打标技术、激光焊接技术和激光快速成型技术。其中最熟悉和最广泛使用的是前4个。在这里，我们还讨论了工程机械制造的前4个应用。

2.1 激光切割技术在工程机械制造中的应用

激光切割技术使用高能量、高密度的激光束照射工件，这样一来照射温度急剧增加。在材料蒸发后，蒸汽迅速排出或熔化，然后在辅助气体的作用下排出。材料和炉渣形成间隙。从20世纪70年代开始，激光切割技术已成为工业材料切割突出的加工方法，当然激光器和数控技术更是不断改进和发展。

不同的材料具有不同的切割技术和方法。这种激光设备在切割时使用的激光束可以聚焦成很小的光点，可以使激光切割机达到很高的使用功率，因此，它的切割速度很快、精度很高，也可以保证工件不会出现变形的情况。另外，这是一种采用热切割技术作为切割进程，在切割的时候受影响的区域很小，不会出现大范围的影响，可以对一些非金属进行加工，当然这也是其它激光切割机设备所不能做到的地方。最后它具有很高的能量，可以自由控制其密度的变化，也可以进行局部操作。在汽车工业中，使用激光三维切割代替冲压和修边模具来生产车身面板，这样一来，新车开发出来，可以很快的投入生产，汽车的生产时间也可以大大缩短；在工程机械行业，激光切割已经成为日本的标准工艺，大大提高了新产品的开发速度，提高了产品质量，增强了企业的竞争力。中国三一集团还强烈敦促所有子公司使用激光，并使用激光重复使用离子，统一采购。另外徐工和山推也大力提倡推行激光切割技术。在航空航天工业中，激光切割零件包括钛合金皮、钛合金薄壁机、发动机火焰筒、飞机架等。总之，从全球范围来看，大幅面激光切割机已成为重工业企业的新选择。

2.2 激光焊接技术在工程机械制造中的应用

激光焊接技术除激光切割技术外，激光加工技术也在工程机械制造中被广泛应用。激光焊接是一种焊接方法，其中加热工件使用类似激光的高能束作为热源，使材料熔化，以实现连接。激光焊接有时需要填充金属，是一种非接触式的焊接技术。根据材料的不同，使用相应的保护气体来防止熔池氧化。与传统的电弧焊相比，激光焊接技术是一种应用便捷，简单可靠，适应性强并且功能众多的精密焊接方法。在建筑机械中，激光焊接用于提高焊接强度。在减少焊接变形和焊接修正过程中，改善外观结构设计方面具有一定的优势和广阔的应用前景。

在航空领域中，飞机的机身重量大大减轻，成本也降低25%左右，这就是应用了激光焊接铝合金取代传统的铆接工艺的技术。激光焊接在空中客车A318、A380和其他型号上的成功应用被誉为航空业的一项重大技术革命。中国巩水力团队突破了轻合金激光焊接关键技术，实现了大型薄壁结构T型接头双梁双面同步焊接，双梁激光填充复合焊接装置自主研发成功适用于某台机器。在肋板关键结构构件的焊接制造中，它在中国新飞机的发展中起着重要作用。在汽车工业中，激光焊接技术极大的有助于提高车身强度。由于激光焊接技术具有深度比大、热输入小的优点，汽车零部件在拼接过程中可以完美结合，实现功能与形状的完美结合。这一优势使得当前的工程机械，例如推土机和叉车，使用激光焊接技术以实现完美的焊接状态。借鉴汽车设计和制造的经验，工程机械产品的设计和制造将成为新技术的新趋势。

2.3 激光钻孔技术在工程机械制造中的应用

激光钻孔技术是一项多功能的技术，它已成为工业机械制造领域的关键技术之一。工业发达国家已大规模的将激光钻孔技术应用于激光深微孔、汽车制造、航空航天、电子仪表等行业。在中国比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石的生产上，并在飞机叶片、手表以及宝石轴承的制造上大量应用。激光钻孔进展向多样化，高速和更小的孔。例如，将50000个孔的直径为在飞机的机翼0.064mm可大大减少空气流至飞行器的电阻；高压水清洗环境多种多样，常常需要为特殊的清洗环境重新设计喷嘴，灵活多变的激光打孔正好可以满足这种需求；汽车工业的燃油过滤器的厚度为0.95mm，采用激光打孔，速度可达120孔/s。在燃油出口面没有凸起部分，也没有赃物，目前对于这类质量零件还没有其他的加工方法可以做到。

2.4 激光熔覆技术在工程机械制造中的应用

激光熔覆的结构是一种新的表面改性技术进行再制造，其具有不可替代的优势，并且远远好过其它的处理技术，主要采用5～10kW的CO2高功率激光器及其系统，在这方面，大陆激光器好过其它激光器。激光微面熔覆技术在实践中被广泛应用于冶金、电力、机械、石化、钢铁等工业领域。它对于修复涡轮功率旋转装置非常重要。零部件，直到单元，如烟气涡轮机、离心式压缩机、螺杆式压缩机、大型蒸汽涡轮机、发电机、汽轮机等，也产生激光器，成为该技术的国内领先企业。另外，随着激光熔覆修复模能大大提高模具的使用寿命，而不受形状和尺寸的限制。以激光加工站为形式的国内激光加工中心，如中国科学院金属研究所、北京、天津、杭州等，在激光加工再制造中发挥了重要作用。

目前激光熔覆主要用于材料的表面改性和制造过程中受损产品的修复。例如，英国RollsRoyce公司将激光熔覆技术应用于发动机的硬表面包层，从而大大提高了其使用寿命，也提高了发动机表面包层的硬度和耐磨性。“美国AVCO公司对汽车排气阀激光熔覆Stellite合金，改进了排气阀的磨损电阻，提高了其耐腐蚀性能和抗冲击性能，降低了生产成本。激光熔覆技术也广泛应用于模具和辊子制造，以提高其性能。表面硬度、耐磨性、电阻、耐高温等性能，将提高使用寿命。激光熔覆技术已成功应用于模具、发动机叶片、汽车曲轴等零件的维修，修复零件的性能可达到甚至超过新的产品，并且成本大大降低。