激光加工技術在機械制造中的應用

路媛媛

（湖北工業大學工程技術學院，湖北 武漢 430068）

激光加工技術主要是利用激光束，使其與材料相互作用，這是該技術的操作核心。根據加工方式的不同將其分為兩組，一是激光熱加工，二是光化學反應加工。前者是激光束產生了熱效應，后者則充分利用高密度高能光子，通過化學反應來完成加工。當前伴隨我國應用技術水平的不斷提高，激光加工技術也得到了進一步完善，對于機械制造產業的發展具有積極的現實意義。在彌補不足的同時，有效提高了生產效率和質量。

1 激光加工技術的特點

激光加工是較為典型的現代化技術，集智能化與先進性為一體，實現了多種技術的有機融合。激光加工技術的原理主要是借助激光束的性能，使其與材料相互作用，從而使材料發生形態變化，因激光束具有高能密度性，提高了激光加工技術的精確度，再加上環保無污染的優勢，該技術遠遠走在其他制造加工技術的前列。與其他加工技術相比，激光加工技術不需要過多的材料就可以事先規模化生產，且能夠較好的適應加工材料的特性，對于生產效益的提升大有助益。

1.1 激光加工技術在機械制造中的主要特點

（1）功率大，能夠適用于各種新型材料，只要吸收了足夠的激光熱量，便可在短時間內變化材料的形態。激光頭與加工件不會直接接觸，因此不會產生磨損問題。

（2）加工操作不受工件動靜態的限制，即便是被密封的材料，也可以進行加工。

（3）材料的激光加工全程受電子計算機控制，激光束更加準確，機械加工也更加精密，實現了自動化操作。

（4）激光加工不受外界環境的影響，機械化操控能夠彌補人為操作的不足之處，確保加工工作的順利開展。

1.2 激光加工技術的干擾因素

（1）激光的照射時間和輸出功率都會直接影響到激光加工技術，一般情況下，激光輸出功率越大，照射時間越長，工件能量也會隨之加大。如果固定焦點位置，激光加工孔還會有一定程度上的增大。激光能量需要發散，由照射時間決定，如果時間過短，導致能量過密，從而拉低了激光的使用效率。

（2）在聚焦物鏡的作用下，焦距與發散角就會發生功率反應，此時焦面上的光斑直徑決定了激光的功率密度，密度大，表現為打孔深而小。

（3）焦點位置與工件表面的距離過大，會產生喇叭口的切口，在能量密度的作用下，焦點位置升高，工作表面的激光存在焦點過低，工件會出現較大的尖面斑點。

2 激光加工在機械制造中的應用

2.1 材料處理

激光加工技術在材料處理中的應用，通常采用熱處理表面強化技術，表面處理的技術原理是對材料表面進行加熱，使其升溫將近熔點時，材料的形態就會出現變化。而通過激光加工技術，則延伸了傳統熱處理技術的工作原理，材料經激光加工處理后，其使用壽命得到了延長，各方面性能也會提升，主要體現在耐腐蝕性和抗疲勞性兩方面。因其在材料處理方面的優勢，經過激光加工技術的產品具有更大的市場競爭優勢。激光技術不僅可以單獨采用，還能夠結合其他技術，從而創建出一種新的材料處理模式。例如激光技術與CAD技術的有效結合，為機械制造材料處理注入了新的發展動力，其中CAD技術是基于計算機系統來進行設計工作，通過計算機的控制，在完成零件造型設計工作后，還需要利用激光技術進行材料的二次加工。運用CAD技術所建立的零件模型更加直觀、精確，不僅降低了零件的制造難度，也便于修改，能夠保證最終設計產品的完整性。在機械制造過程中，零件必須符合精密度標準，像一些曲面零件的加工難度較大，且設計復雜，此時結合激光技術和CAD技術的優勢，能夠在降低生產難度的同時，進一步提高產品的生產效率與質量。

就材料加工處理這項工作來說，打孔環節至關重要，油孔、定位孔和緊固孔都是常見的幾種加工孔類型，通孔的質量是否達標會直接影響到零件性能。與傳統機械打孔相比，激光加工的打孔效果更優，利用該技術打孔，其孔壁形狀標準，且更加平滑，如表1所示。根據圖1可知，孔深和孔徑通過激光加工，會隨著時間的變化而變化，由此可見，在激光打孔的初始階段，孔深和孔徑會有一定幅度的增長，但時間越長，兩者的增長速度放緩，出現這種情況的原因是激光散焦能量的降低，更多的激光熱源轉向了材料內部，此時的加工目的是去除多余的材料，因此孔深和孔徑不會出現太大的變化。

表1 激光加工與機械加工打孔在孔徑和孔壁粗糙度方面的對比

圖1 激光加工下孔深、孔徑隨時間變化的曲線

2.2 材料修復

主要利用了激光熔覆技術，工作原理是按照不同的填料方式，將涂層材料放置在材料表面，經過激光照射，材料表面的薄層和涂層材料開始熔化，以此來改善材料的物理性能，增強其耐磨、耐熱、耐腐蝕性。一般情況下，經過表面修復處理的材料硬度與之前相比高出了幾十倍，以60#鋼經碳鎢為例，通過激光熔覆處理，其硬度高達2200HV甚至更多，耐腐蝕性也得到了有效的提升。此外，材料的本質不會受到激光熔覆技術的影響，在某些方面能夠節省成本，還可以全面提升材料的性能，提高產品的質量，以便于更好的滿足生產要求。

2.3 激光切割

激光切割往往用于汽車行業、工程機械行業以及航空航天工業。通過激光束來照射工件，被照射的部位急速升溫，材料開始氣化，在排出蒸汽或熔渣之后，最終形成切縫。激光切割技術多用于鋼材、鋁合金、鈦合金等金屬材料的加工，對于非金屬材料，包括陶瓷、塑料和加工玻璃等同樣適用。經過激光切割的工件不會出現機械變形的問題，激光束也不會對材料造成太大的影響，照射過程中所產生的熱影響可以忽略不計。該技術制造出來的材料切口細窄，切縫整齊美觀，且切割速度快、質量好、柔性高，不需要過多的模具投資便可獲得經濟效益。

2.4 激光焊接

激光焊接是充分利用激光的熱源性能，對工件進行加熱，使其熔化，便于后續的連接。激光焊接不需要證明接觸式，主要做好金屬填料的工作，維持好熔池的氧化性，就可以完成材料焊接。該技術具有速度快、操作簡便、不易變形、靈活程度高的優點，被廣泛應用于航空領域，激光焊接有效彌補了傳統鉚接工藝的缺陷，不但飛機的機身重量減輕了，還節約了生產成本，對于我國新型飛機的研制具有積極意義。

2.5 激光增材制造

也稱作3D打印技術，利用高功率激光，對原料發射能量源，并根據三維模型數據，實行分層制造模式，并逐層累加，最終制造出三維實體的零部件。按照成形原理的不同，將其分為兩類，一是激光選區熔化，二是激光金屬直接成形。前者首先要鋪設粉末，其后控制高能激光束按照金屬粉末的路徑進行掃描，最后使其完全熔化后冷固成形。后者則需要按照預定的加工路徑，將金屬粉末隨著激光束送入不能干熔化，凝固后逐層堆積成形。該技術流程短、柔性高、適用性強，像一些難熔、難切削的高活性材料都可以采取該種制造技術，制造出來的零件綜合力學性能優異。

3 激光加工技術在未來的發展趨勢

（1）科學技術不斷創新，在全球經濟浪潮的推動下，激光加工技術已經邁入了自動化、智能化的時代，CAD軟件的出現，擴大了人工智能的應用范圍，激光加工技術的功能逐步完善，開始用于生產領域。

（2）在人工智能的作用下，激光熱處理、切割和焊接技術實現了有機結合，協調分散的關系，能夠最大限度的發揮激光加工技術的整體優勢。

（3）激光加工技術的精準度得到了進一步提升，不僅效率提高了，功能也更加多樣。如機器人技術，擴大了激光加工的高精準度優勢。

（4）以往10mm以下的工件不能進行激光加工，但隨著該技術應用范圍的擴大，彌補了切割下料無法加工的弊端，更多精密的部件完全可以通過計算機控制來完成激光加工。

4 結語

綜上所述，現階段我國激光加工技術的應用還存在缺陷，為了發揮其作用，要求從事機械制造行業的工作人員熟練掌握激光加工技術的原理與操作方法，為機械的安全生產提供可靠保障。另外，在機械制造過程中，相關工作人員要對材料生產的要求和標準有明確的認識，與時俱進、不斷創新，促進我國機械制造行業朝著更好的方向發展。