激光加工技術在機械制造中的應用

劉迅，李東艷

（濰坊工程職業學院，山東青州262500）

激光加工技術在機械制造中的應用

劉迅，李東艷

（濰坊工程職業學院，山東青州262500）

大功率激光器件的發展促進了激光加工技術的研究和應用。介紹了激光切割、激光焊接、激光熔覆和激光增材制造在機械制造中的應用現狀。

激光加工；制造；應用

激光是受激輻射光放大的簡稱。微觀粒子具有一系列特定的能級。若處在高能級E2的粒子數大于處在低能級E1的粒子數，這種分布與平衡態時的粒子分布相反，稱為粒子數反轉，如何從技術上實現粒子數反轉是產生激光的必要條件。處于高能級E2上的粒子當有頻率為ν=（E2-E1）/h的光子入射時，會引發粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子，這個過程稱為受激輻射。這意味著原來的光信號被放大。這種在受激輻射過程中產生并被放大的光就是激光。

激光具有亮度高、方向性好、高單色性和高相干性的特點，廣泛應用于通訊、醫學、軍事、工業等領域。隨著大功率激光器件的發展，CO2激光器的最大功率可達45 kW，能量密度達106-8J·cm-2，高功率半導體激光器的效率可達30～50%，使用壽命5 000～10 000 h[1]，配套制造系統也相應發展，從而使激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光增材制造等激光加工技術在制造業發揮著越來越重要的作用。

1 激光切割

激光切割是利用高能量密度的激光束照射工件，使照射處溫度急劇上升，材料氣化后蒸汽快速排出或熔化后在輔助氣體的作用下排出液態材料和熔渣，形成切縫。

激光切割可用于加工鋼材、鋁合金、鈦合金等金屬材料，也可用于加工玻璃、陶瓷、塑料等非金屬材料。激光切割是無接觸加工，工件無機械變形；激光束對非激光照射部位沒有影響或影響極小，其熱影響的區域小，工件熱變形小。切口細窄，切縫表面光潔美觀，切割質量好。激光切割速度快，柔性高，可以節省模具投資，節省生產成本。

在汽車行業，用激光三維切割取代沖孔和修邊模生產車身覆蓋件，極大縮短了新車的研發周期和汽車的生產周期[2]。

在工程機械行業，日本已將激光下料作為標準工藝手段，我國的三一重工、徐工、山推等也相繼引進了大幅面激光切割機[3]。

在航空航天工業，激光切割加工的零部件有發動機火焰筒、鈦合金薄壁機匣、飛機框架、鈦合金蒙皮、機翼長桁、尾翼壁板、航天飛機陶瓷隔熱瓦等[4]。

2 激光焊接

激光焊接是以激光這種高能束為熱源加熱工件，使材料熔化實現連接的焊接方式。激光焊接屬于非接觸式焊接，偶爾需要填料金屬，根據材質不同需使用對應的保護氣體防止熔池氧化。激光焊接速度快，靈活程度高，幾乎沒有焊接變形，不需要焊后熱處理。

在航空領域，用激光焊接鋁合金取代傳統的鉚接工藝，使飛機機身重量減輕了約20%，成本節約了20%以上[2]。激光焊接在空客A318、A380等機型上的成功應用[4]被譽為航空制造業中的一大技術革命。我國鞏水利團隊突破了輕質合金激光焊接的關鍵技術，利用自主研發的雙光束激光填絲復合焊接裝置，實現了大型薄壁結構T型接頭雙光束雙側同步焊接，并成功應用于某機型帶筋壁板關鍵結構件的焊接制造中，為我國新型飛機的研制發揮了重要作用。鞏水利于2013年獲得國際上焊接領域最高學術獎-布魯克獎。

在汽車工業，克萊斯勒公司最早將激光焊接應用于變速箱齒輪的焊接，這是激光焊接在該領域的首次應用。美國福特汽車公司用激光焊接車輪輪盤鋼圈。激光焊接廣泛應用于排氣管、濾清器、傳動軸等汽車零部件生產。激光焊接在汽車制造中的又一應用是激光拼焊，即根據車身不同的設計和性能要求，將不同材質、不同厚度的板材拼裝焊接成一個整體。激光拼焊廣泛應用于行李箱加強板、車門內板、保險杠、中立柱等車身部位，減輕了車身重量，提高了剛度，改善了振動特性。車門、頂蓋與側圍等車身總成與分總成也廣泛應用了激光焊接[5，6]。

3 激光熔覆

激光熔覆是將粉末狀熔覆材料（有時也用線材或板材）以預置或同步方式放置于基體的表面，在高能激光束的作用下，熔覆材料和基體的表面薄層熔化并快速凝固從而形成一表面改性涂層，該涂層根據需求不同可具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、耐氧化等特點。激光熔覆對基體熱影響小、冷卻速度快，涂層晶粒細小，熔覆層稀釋率小、與基體為良好的冶金結合，粉末選擇范圍廣泛，易于實現自動化。

激光熔覆當前主要應用于制造過程中對材料進行表面改性和對損壞的產品進行修復。如英國Rolls Royce公司較早應用激光熔覆技術對發動機進行硬面熔覆，大大提高了其硬度和耐磨性[7]。美國AVCO公司對汽車排氣門激光熔覆Stellite合金，提高了排氣門的耐磨損、耐腐蝕和抗沖擊性能，降低了生產成本[8]。激光熔覆技術還可應用于汽車換向器、齒輪等零部件的制造。模具和軋輥制造領域也廣泛使用激光熔覆技術改善其表面硬度、耐磨性、耐高溫等性能，提高使用壽命[9]。激光熔覆技術也成功應用于發動機葉片、汽車曲軸、模具等零部件的修復，修復后的零件性能可以達到甚至超過新品，而成本卻大大減少。

4 激光增材制造

激光增材制造，俗稱3D打印，以高功率激光為能量源，以合金粉末或絲材為原料，依據三維模型數據分層制造，逐層累加，將CAD數字模型制造成三維實體零件。按成形原理主要分成激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）和激光金屬直接成形（Laser Metal Direct Forming，LMDF）[10]。激光選區熔化是先將粉末鋪好，然后高能激光束按照預定的路徑掃描金屬粉末使其完全熔化，最后冷卻凝固成形。激光金屬直接成形則是按照預定的加工路徑，采用激光束將同步送入的金屬粉末熔化然后快速凝固，逐層堆積成形。

激光增材制造技術柔性高、無模具、制造流程短，可加工難熔、難切削、高活性材料，可加工結構復雜及薄壁零件，零件綜合力學性能優異。

美國GE公司利用SLM技術制造了航空發動機葉輪和燃料噴嘴，西班牙的Salamanca大學利用SLM技術制造出鈦合金胸骨和肋骨，并成功植入胸廓癌患者體內[10]。美國AeroMet公司采用激光增材制造技術生產的鈦合金小型、次承力構件于2002年通過了在F/A-18等飛機上的驗證考核并實現了裝機應用，但未能突破大型、主承力構件的關鍵技術，2005年被迫關閉。北京航空航天大學王華明團隊與“產學研”合作單位共同努力，2005年使我國成為國際上第二個實現激光增材制造鈦合金小型、次承力構件裝機應用的國家，隨后又突破了大型、主承力構件制造的關鍵技術，使我國成為目前世界上唯一突破該技術的國家[11]，并在C919大型客機的生產中實現了工程應用，獲得了國家技術發明一等獎。

5 結束語

激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光增材制造、激光打孔、激光打標、激光表面熱處理等激光加工技術在機械制造中得到了廣泛的應用。某些技術在產品組織缺陷和力學性能等方面仍然存在著瓶頸難題，大量的研究工作正在開展。激光器和激光加工工藝的發展使激光制造技術有著廣闊的應用前景。

[1]張建斌，余冬梅.鈦及鈦合金的激光表面處理研究進展[J].稀有金屬材料與工程，2015，44（1）：247-254.

[2]左鐵釧，陳虹.21世紀的綠色制造-激光制造技術及應用[J].機械工程學報，2009，45（10）：106-110.

[3]尹杰.激光加工技術在工程機械制造中的應用探討[J].工程機械，2011，42（9）：50-53.

[4]辛晨光.激光制造技術的應用與展望[J].現代制造工程，2012，（9）：130-134.

[5]陳根余.激光焊接技術在汽車制造中的應用與激光組焊單元設計[J].電焊機，2010，40（5）：32-38.

[6]陳根余.激光焊接、切割在汽車制造中的應用[J].激光與光電子學進展，2009，（9）：17-23.

[7]左鐵釧.激光制造技術在航空領域中的應用[J].航空制造技術，2008，（21）：32-34.

[8]常成.激光熔覆技術及其在汽車工業中的應用[J].湖北汽車工業學院學報，2016，30（2）：49-53.

[9]楊寧.激光熔覆技術的發展現狀及應用[J].熱加工工藝，2011，40（8）：118-120.

[10]楊強.激光增材制造技術的研究現狀及發展趨勢[J].航空制造技術，2016，（12）：26-31.

[11]王華明.高性能大型金屬構件激光增材制造：若干材料基礎問題[J].航空學報，2014，35（10）：2690-2698.

Application of Laser Processing technique in Machine Manufacturing

LIU Xun，Li Dong-yan
（Weifang Engineering Vocational College，Qingzhou Shandong 262500，China）

Research and application of laser processing technique are promoted through development of high-power laser.Application status of laser cutting，laser welding，laser cladding and laser additive manufacturing in machine manufacturing are briefly introduced.

laser processing；manufacturing；application

TH18

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0300-03

2017-02-18

劉迅（1979-），女，山東人，碩士，講師，主要研究方向：機電一體化。