激光在现代制造技术中的应用分析

2021-03-27张浩浩

光源与照明 2021年5期

张浩浩

三峡电力职业学院，湖北宜昌 443000

0 引言

激光切割技术的本质就是利用聚焦高能量的方式形成激光束，直接把需要加工的工件熔化或者气化，同时在辅助气体的作用之下处理熔化物或者氧化物，完成整个切割的操作中。激光切割技术是一种非常先进的机械制造加工技术，对于提高机械制造企业的核心竞争力和总体水平有着非常重要的作用。

1 激光加工的特点

激光加工最初是德国在20世纪60年代研发和提出的，其工作原理就是应用激光器形成高能量的粒子直接把需要加工的金属熔化或者气化，然后衍生出很多加工技术。因为激光束的稳定性、抗干扰能力非常强，外部环境的影响范围较小，所以很多金属或者非金属材料都可以达到高质量的加工要求，加工精度非常高。

激光加工技术的主要优势就是精度高，从实际情况分析，可以总结为“高、快、好、省、广”。

（1）高。激光加工的精度非常高、工作效率高，因此也具备较高的经济效益。比如一台激光切割机的设备价值为30万元，在企业生产中，一年半的时间可以回收设备成本，然后产生利润。

（2）快。激光加工技术可以实现高速度加工。因为激光具备较高的能量，属于高能量光源，所以加工速度很快，最高可达100 m/min。

（3）好。激光加工技术的抗干扰能力非常强，可以抵御外部环境的侵蚀和影响，故加工完成的工件质量好，这是普通加工机床所无法比拟的。

（4）省。激光设备进行产品的加工，可以全面的提升材料的利用率，从目前统计数据分析发现，和其他加工技术对比，激光加工可以节约10%～30%的材料。另外，激光加工并不会直接和被加工材料接触，因此耗材消耗较少。

（5）广。激光切割技术可以加工的材料范围比较广，除了金属材料，还可以进行非金属材料的加工。此外，激光切割技术可以进行多种工艺的加工，比如直线、曲线、异型图案等[1]。

2 激光切割技术的主要类型

（1）汽化切割。汽化切割是目前激光切割技术应用范围较广的一种技术。这一技术应用的激光功率密度很高，只要是把激光直接照射到工件表面，除了极少数的被反射出去，其他绝大部分都会被吸收转化成为热能，可以在表面达到沸腾温度的要求，完成加工作业。此外，从表面氧化的实际情况分析，吸收率的提升效果非常明显，喷出的蒸汽会带走比较多的熔融材料，然后就会直接形成汽化切口。汽化切割技术一般都是应用脉冲激光进行加工，比如塑料、木料、陶瓷等都可以进行加工。

（2）熔化切割。熔化切割在应用中，对激光的功率要求比较高，必须达到工件表面加工强度的性能要求。熔化切割与汽化切割有着很大的差异，其加工之后形成的熔化物不是通过气化清理掉的，而需要使用辅助气体进行吹除处理。熔化切割技术并不会存在蒸汽对激光束的发射与吸收方面的问题，激光束在切口间隙内移动时，和前侧的材料有相互的作用。此外，由于熔化切割下的激光束直接投射到工件材料斜面上，其形成的射角比较大，所以吸收激光的能量之后不能立即熔化，此时要逐一完成，且最终切割后会产生波浪纹的形式[2]。

（3）反应熔化切割。该技术的应用就是利用激光束达到工件表面的燃点，然后通过工业纯氧和材料形成氧化反应，最终释放出大量的热量，切口的位置上，材料经过氧化燃烧后会形成熔融氧化物，吹除之后形成切口的同时，还会存在比较多的热量供给相邻材料，让其达到燃点的要求，此时就可以确保反应熔化切割的顺利进行。该技术所使用的激光功率更小，只有汽化切割的1/20左右，目前已经成为钢、钛等材料的切割主要技术。

3 激光加工技术在机械制造中的应用

随着科技的发展和进步，激光切割技术水平也有了很大的提升，并且不断地应用于机械制造领域内，下面介绍几种常见的技术。

（1）激光加工技术在板材切割下料领域的应用。激光切割的原理就是通过激光振荡器形成的激光光束利用聚焦镜进行聚焦，然后会形成高密度的能量直接照射到材料的表面，让其经过熔化蒸发，然后完成加工的过程中。和其他热切割方式对比，由于激光的单位能量非常大，因此可以实现高精度的切割。

在当前的板材加工领域内，最为主要的激光切割技术包含两种，即CO2激光切割机和光纤激光切割机。CO2激光切割机的研发和应用时间比较长，先进性不如光纤激光切割技术，波长大约是光纤的1/10。传播通常是和外界空气隔离的光路内完成的，光纤激光在光纤内传播，通过性良好、能量聚集比较高，热影响很小，切割线的宽度更小，加工的效率也更高，因此可以有效提高材料的利用率，防止发生热变形的问题。除了常规的激光切割下料技术之外，激光切割技术应用到圆孔切割、预留孔工艺豁口、工艺样板制作等方面有着非常明显的优势，替代钻孔的方式进行加工，工作效率大幅提升，还可以减少模板的成本[3]。

（2）激光加工技术在焊接领域的应用。传统机械焊接技术应用最广泛的方式就是气体保护焊、埋弧焊、氩弧焊等方式，所形成的焊接产品缺陷比较多，导致的变形问题也非常的严重，同时焊接弧光的存在容易导致光污染，也会有粉尘污染的问题，威胁作业人员的生命健康。科学技术的发展和进步，使工业生产中焊接质量、效率的提升效果明显，还能够降低人员劳动强度，并且已经全面应用到机器人焊接、流水线作业等工序内。

在研发之初，因为激光功率比较低、激光焊接技术水平较低，并不能对于中厚板、厚板进行加工。但是随着我国科学技术的发展，对中厚板激光焊接技术的全面试验不断增加，并且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。激光电弧复合焊接技术在机械起重机臂架上实现有效的应用，可以直接把能量传输机制和物理特性两种完全不同的热源复合利用，实现统一焊接作业，把两种热源的优势完全展示出来，焊缝熔深大、间隙搭桥能力好、焊接速度非常快，可切实提升加工效果。

例如，汽车起重机伸臂材质为屈服强度960 MPa的高强钢，采用激光-双丝MAG复合焊接。与传统焊接技术相比，该技术可以适应多种条件的应用，尤其是高反射、难焊接、异种材料方面效果非常好；焊接稳定性好，提高焊接变形，避免发生焊接缺陷问题，促进焊接质量的提升；工作效率提升3倍以上，较之单一热源焊接来说，复合焊接可以增加熔深50%，促进焊接速度的提升，以较小的输入可以完成焊接作业；填充效率高，焊丝节约30%左右。

（3）激光加工技术在再制造领域的应用。随着机械再制造领域的发展，其可以实现能源的节约，符合我国绿色发展的战略，同时还能够保证再制造之后的产品性能和新产品是完全一致的，而成本却可以降低2/3，因此企业也比较愿意投入。零部件再制造主要是针对某些损坏的零部件加工，目前最为关键的就是高效激光堆焊技术，其原理就是通过高密度、高功率的激光束进行加工，在基体的表面形成微熔层的结构，然后预置或者同时加入规定成分的直熔合金属材料，可以有效促进磨损部件的修复处理，实现材料的再制造。该技术的灵活性非常好，对于零部件堆焊材料可以任意选择，实现差异化产品加工的要求[4]。比如大功率推土机底盘履带涨紧弹簧筒在工作中发生严重的磨损问题，再制造环节可以对磨损的部位使用激光熔覆增材处理，加工完成后，从多个方面进行检测，发现硬度完全合格，熔覆状态层硬度梯度合理，金相组织达到规定要求，使用寿命延长约30%，同时具备较高的经济效益，避免材料或者部件的浪费，综合效益好。

（4）激光加工技术在质量管理领域的应用。ISO9000质量管理体系中对于零部件实施全过程的监控和管理，让产品质量有可追溯性。机械厂进行零件的可追溯管理，通常需要在零部件上增加永久性的标识，直接标注好产品的名称、物料号、图号、厂家、日期以及二维码等信息，传统打标技术是气缸持续性冲击零件，然后形成运动轨迹，这种方式的缺陷就是噪音大、字迹模糊以及标牌易变形等。而激光打标技术可以实现无接触加工，在零部件表面形成图文标记。该方式的主要优势是①加工速度比较快，与传统方式对于提升约11倍；②字迹清晰，只需要电脑排版制作，再复杂的图案都能够直接打出来，效果非常好；③无接触加工，不会产生污染问题，也不会给工件造成损伤，完全满足可追溯的要求。