激光加工技术在工程机械制造中的应用与发展趋势

傅中明，李德明

1.扬州丰源车身制造有限公司 江苏扬州 225000

2.山推工程机械股份有限公司 山东济宁 272000

1 序言

工程机械作为机械制造行业的重要分支，具有门类多、功能复杂、结构强度高等特点。虽然一直以来很少成为各种制造新技术的试验田，但由于科技人员的创新精神和攻坚克难的勇气，新技术也将最终推广到工程机械制造领域，比如焊接机器人、自动化、智能物流等。当然激光加工技术作为一种绿色、环保、高效并且与物件无接触的加工技术，自然也受到行业的青睐。

2 激光加工的特点

激光加工起源于20世纪60年代的德国，其加工原理主要是利用激光器产生的高能粒子对工件的表面进行熔化和气化，并以此原理进行各种衍生加工技术。由于激光光束具有很好的稳定性和抗干扰性，并且对被加工件限制条件（如加工的形状、尺寸、环境）较少，因此可对大部分金属材料和非金属材料进行高质量、高精度加工。激光加工技术一直都是“高精尖特”的技术代表[1，2]。

其加工特点及优势总体来说，可以概况为“高、快、好、省、广”，具体内容如下：

（1）高 激光加工精度高、加工效率高、材料利用率高、经济效益高。比如一台价格30万元的激光切割机，企业在正常加工的情况下，一年半时间就可以收回设备成本，并产生利润。

（2）快 加工速度快，由于激光的能量介质是光源，因此其加工速度非常快，最高可达100m/min。目前，最先进的3G激光切割机，其速度是主流加工设备的1.5倍以上。

（3）好 激光加工抗干扰性好，不容易受环境因素的影响，因此激光加工出来的零件质量非常好，精度可以和普通的机床精加工处于同一水平（微米级）。

（4）省 激光加工的产品材料利用率高，比较省材料；据不完成统计，激光加工与其他加工技术相比，可节省材料10%～30%。另外，激光加工属于不接触加工工艺，因此设备所需要的耗材比较少，大大节约了生产成本。

（5）广 激光加工的材料范围十分广泛，不仅可以加工金属材料，也适用于加工非金属材料。另外，激光加工材料形状比较广，直线、曲线、异形图案等都可以加工出来，真正实现无障碍加工。

3 激光加工技术在工程机械制造中的应用

近几年来，随着激光加工技术及设备的突破，越来越多地应用于工程机械产品制造各工序中。下面就目前工程机械应用的主流技术进行介绍。

3.1 激光加工技术在板材切割下料领域的应用

激光切割是利用激光振荡器输出的激光光束通过聚焦镜聚焦，产生的高密度能量照射在材料上使之熔化蒸发而进行的切割方法。与生产中常用的热切割法（火焰、等离子等）相比，因为单位面积的能量大，所以能进行切割割缝较小的高精度产品。

例如，某公司下料中心拥有精细等离子切割、光纤激光切割、平板坡口切割、管相贯线切割、钻切复合一体机、型钢切割六大类设备100余台，为工程机械厂家卡特、小松、约翰迪尔以及国内工程机械以及权属子公司产品下料，同时服务于当地配套企业的需求。其中包含三台二维激光切割机（见图1）、两台三维激光切割机（见图2）。激光下料产品涉及几乎所有工程机械大类使用的机罩、油箱、驾驶室等零部件产品，厚度以1～25mm板或型材为主，切割材料为从普材Q235A至1000MPa高强度板，每年下料能力达到2万t。

目前，工程机械板材加工行业内的主流技术产品所使用的激光切割机有两种，分别为CO2激光切割机和光纤激光切割机。CO2激光切割机为早期产品，技术没有光纤激光先进，波长约为光纤的1/10。传播一般是在与外界空气隔离的光路内进行，光纤激光在光纤中传播，通过性更好，能量束更高，从而热影响更小，切割线更窄，有利于提高下料效率、材料利用率和板材下料的热变形等。

图1 二维激光切割机

除常规的激光切割下料外，激光切割技术在圆孔切割、预留工艺豁口及工艺样板制作等方面应用优势明显，可应用于工艺装备孔的“以切代钻”，省去钻孔工序的时间，提高生产效率，以及节省钻模板的制作费用[3]。

图2 三维激光切割机

3.2 激光加工技术在焊接领域的应用

传统的工程机械焊接技术大多数采用的是气体保护焊、埋弧焊或氩弧焊等焊接方式，焊接出来的产品往往存在着飞溅多、变形量大等质量缺陷，另外产生的焊接弧光、灰尘也会危害操作人员的身心健康。随着技术的发展，工业制品生产企业也在就如何提升焊接质量、效率以及减少人工作业方面做了大量的工作，逐渐把汽车工业白车身的机器人焊接、流水线以及柔性制造理念引入到工程机械焊接工序。

早期由于激光功率不足和激光焊技术受限，无法在多以中厚板或超厚板为主的工程机械产品中应用。但近几年上海交通大学、哈尔滨工业大学等知名高校，针对中厚板激光焊接技术进行了大量的研究及试验，也形成了高功率激光深熔焊、电弧复合焊、超窄间隙多层填丝焊以及真空负压激光焊等多种焊接方法[4-8]。激光电弧复合焊技术在工程机械起重机臂架应用较为成功，是将能量传输机制和物理特性截然不同的两种热源复合在一起，作用于统一焊接位置，可以同时发挥两种热源的优势，使焊缝熔深增大、间隙搭桥能力增强，焊接效率提高，起到1+1＞2的效果。

例如，汽车起重机伸臂材质为屈服强度960MPa的高强钢，采用激光-双丝MAG复合焊接（见图3）。相比传统的焊接具有焊接适应性强，可适用于高反射和难焊接以及异种材料的焊接；提高焊接过程稳定性，改善焊缝成形，并可消除焊接缺陷，提高焊缝质量，100%全检通过；效率提升了300%，相比单一热源焊接，复合焊接能够有效增加熔深50%，提高焊接速度，同时保证较小的热输入；具有更高的填充效率，节约30%以上单位焊丝用量。

图3 激光-复合MAG焊应用实例

3.3 激光加工技术在再制造领域的应用

近几年，工程机械再制造业务发展较快，一方面节能降耗，属绿色制造范畴，国家大力提倡；另一方面再制造后的产品性能与新品基本相当，价格约为新品的2/3，用户也逐渐接受认可，仅投入40%～60%的制造成本，企业也乐意去做。零部件再制造主要是更换一些易损件、密封件和修复机构中的磨损，这其中用到最重要的技术就是高效激光堆焊技术，也称激光熔覆技术，主要原理为利用高功率、高密度的激光束，在基体表面形成一层微熔层，同时预置或同步添加特定成分的直熔合金粉，以此达到对磨损的零部件进行均匀修复的目的，也属于一种增材制造技术[9]。同时具有较高的灵活性，对零部件堆焊区域可选、材料可选甚至性能可选，为实现产品的差异化定制提供了优质可行的制造方案。如大功率推土机底盘用履带涨紧弹簧筒由于使用中出现磨损，再制造针对磨损区域采取激光熔覆增材处理（见图4）[10]，从耐磨多个维度指标进行检测，表面硬度合格，熔覆状态层硬度梯度合理，金相组织较好，可使大功率推土机弹簧筒寿命提升300%，目前不仅用于再制造，同时在新品上替代原镀铬+前期感应热处理工艺，大大提升了产品在行业中的竞争力。

图4 大功率推土机弹簧筒激光增材示意

3.4 激光加工技术在质量管理领域的应用

ISO 9000质量管理体系明确要求做好零部件的过程监控，质量要具有可追溯性。工程机械厂家为有效地追溯零部件质量情况和使用情况，也要求自制零部件及配套商做好永久性标识，标识的内容主要包括产品名称、物料号、图号、生产厂家、生产日期及二维码等基本信息。传统的打标技术主要是利用气缸不断的机械运动冲击物件，在标牌表面留下运动轨迹，这种方式存在着噪声大、字迹模糊、标牌变形等缺点。而激光打标技术属于无接触加工，它是利用激光发出的光束，使工件表面材料瞬间熔融，通过控制激光在材料表面的路径，从而形成图文标记的一种方法，如图5所示。与传统方法相比，具有以下优势：①速度快，相比传统速度提升一倍以上。②字体质量高，字迹清晰，并且很多复杂的图案、符号、字母也可打印出来，这点是传统的打标方式无法比拟的。③无接触加工，绿色环保无污染，结合数控软件系统，可以实现自动化打标。

图5 标牌打码应用对比实例

3.5 结论

通过以上实例可以看出，激光加工技术已不断应用到工程机械制造的各个工序环节，当然激光清洗技术也正在吸引来自航空航天、汽车、工程机械等领域的关注[11]。该工艺可用于去除油漆、清洁模具或在焊接前去除氧化层和涂层，其速度更快，并且产生的废料更少，目前工程机械行业应用较少。针对上述激光加工技术，大多工程机械企业已把其纳入到自己的企业工艺标准，用以提升产品的品质和效率。随着激光加工技术国产化加快，部分中小企业也尝试购买激光设备进行激光加工，以降低人工成本，提高产品质量，但是和国外成熟的标准化应用相比，国内加工企业还有很长的路要走。

4 激光加工技术发展趋势

激光加工技术是集机械、电气、数控、光学及液压等多领域结合的一门复杂系统，企业进入该领域的技术门槛较高，因此以英国、德国、美国为代表的发达国家，一直主导激光加工产业的发展方向。虽然我国进入该领域的起步较晚，但是随着国家战略“中国制造2025”的不断实施，我国的激光设备厂家和科研机构奋发图强，涌现出如华工科技、大族激光、团结激光等后起之秀，其产品和技术与国外激光设备的差距在不断缩小。另外，激光加工技术发展也是一个漫长与艰辛的过程，需要社会各方面的努力，笔者认为未来激光加工技术会往以下几个方面发展。

（1）激光器小型化 激光器一直作为激光加工技术的核心部件，其大小将决定整个设备的大小。前期由于微电子技术和光学技术的限制，激光器体积比较庞大，占地也较大。随着激光器新技术（如光纤技术、紫外技术等）的不断进步和发展，一批具有转换效率高、工作稳定性好、光束质量好、体积小的激光器被开发出来，从而为激光设备的小型化提供了良好的基础。

（2）加工多能化 为适应市场的需求，激光设备厂家将不再追求单一的激光加工功能，而是开发集成切割、焊接、热处理、喷涂中两个或更多功能于一体的设备，为客户实现设备价值的最大化。

（3）设备智能化 随着互联网技术的兴起，设备智能化将是激光加工技术又一大趋势。智能工厂将各种生产计划、材料的加工数据上传至企业云端，工程师们在办公室内通过远程终端遥控，发出作业指令，控制设备运行状态，实现产品生产过程的数字化、自动化和信息化。

5 结束语

随着“中国制造2025”规划的实施，激光加工技术以其无法比拟的优势，成为推动工程机械产业转型升级的重要工具。在互联网+、5G等信息化技术大量引入之后，激光加工制造也开始向智能化制造转型。在国家大力提倡企业坚持技术创新的背景下，国产激光生产厂家将不断加大研发投入，为市场提供性价比更高的激光设备，从而带动新兴领域和传统制造工艺革新，也为未来工程机械制造业激光加工技术的更加广泛应用提供了技术支持。