激光加工技術在工程機械制造中的應用與發(fā)展趨勢

傅中明，李德明

1.揚州豐源車身制造有限公司 江蘇揚州 225000

2.山推工程機械股份有限公司 山東濟寧 272000

1 序言

工程機械作為機械制造行業(yè)的重要分支，具有門類多、功能復雜、結構強度高等特點。雖然一直以來很少成為各種制造新技術的試驗田，但由于科技人員的創(chuàng)新精神和攻堅克難的勇氣，新技術也將最終推廣到工程機械制造領域，比如焊接機器人、自動化、智能物流等。當然激光加工技術作為一種綠色、環(huán)保、高效并且與物件無接觸的加工技術，自然也受到行業(yè)的青睞。

2 激光加工的特點

激光加工起源于20世紀60年代的德國，其加工原理主要是利用激光器產生的高能粒子對工件的表面進行熔化和氣化，并以此原理進行各種衍生加工技術。由于激光光束具有很好的穩(wěn)定性和抗干擾性，并且對被加工件限制條件（如加工的形狀、尺寸、環(huán)境）較少，因此可對大部分金屬材料和非金屬材料進行高質量、高精度加工。激光加工技術一直都是“高精尖特”的技術代表[1，2]。

其加工特點及優(yōu)勢總體來說，可以概況為“高、快、好、省、廣”，具體內容如下：

（1）高 激光加工精度高、加工效率高、材料利用率高、經濟效益高。比如一臺價格30萬元的激光切割機，企業(yè)在正常加工的情況下，一年半時間就可以收回設備成本，并產生利潤。

（2）快 加工速度快，由于激光的能量介質是光源，因此其加工速度非?？欤罡呖蛇_100m/min。目前，最先進的3G激光切割機，其速度是主流加工設備的1.5倍以上。

（3）好 激光加工抗干擾性好，不容易受環(huán)境因素的影響，因此激光加工出來的零件質量非常好，精度可以和普通的機床精加工處于同一水平（微米級）。

（4）省 激光加工的產品材料利用率高，比較省材料；據不完成統(tǒng)計，激光加工與其他加工技術相比，可節(jié)省材料10%～30%。另外，激光加工屬于不接觸加工工藝，因此設備所需要的耗材比較少，大大節(jié)約了生產成本。

（5）廣 激光加工的材料范圍十分廣泛，不僅可以加工金屬材料，也適用于加工非金屬材料。另外，激光加工材料形狀比較廣，直線、曲線、異形圖案等都可以加工出來，真正實現無障礙加工。

3 激光加工技術在工程機械制造中的應用

近幾年來，隨著激光加工技術及設備的突破，越來越多地應用于工程機械產品制造各工序中。下面就目前工程機械應用的主流技術進行介紹。

3.1 激光加工技術在板材切割下料領域的應用

激光切割是利用激光振蕩器輸出的激光光束通過聚焦鏡聚焦，產生的高密度能量照射在材料上使之熔化蒸發(fā)而進行的切割方法。與生產中常用的熱切割法（火焰、等離子等）相比，因為單位面積的能量大，所以能進行切割割縫較小的高精度產品。

例如，某公司下料中心擁有精細等離子切割、光纖激光切割、平板坡口切割、管相貫線切割、鉆切復合一體機、型鋼切割六大類設備100余臺，為工程機械廠家卡特、小松、約翰迪爾以及國內工程機械以及權屬子公司產品下料，同時服務于當地配套企業(yè)的需求。其中包含三臺二維激光切割機（見圖1）、兩臺三維激光切割機（見圖2）。激光下料產品涉及幾乎所有工程機械大類使用的機罩、油箱、駕駛室等零部件產品，厚度以1～25mm板或型材為主，切割材料為從普材Q235A至1000MPa高強度板，每年下料能力達到2萬t。

目前，工程機械板材加工行業(yè)內的主流技術產品所使用的激光切割機有兩種，分別為CO2激光切割機和光纖激光切割機。CO2激光切割機為早期產品，技術沒有光纖激光先進，波長約為光纖的1/10。傳播一般是在與外界空氣隔離的光路內進行，光纖激光在光纖中傳播，通過性更好，能量束更高，從而熱影響更小，切割線更窄，有利于提高下料效率、材料利用率和板材下料的熱變形等。

圖1 二維激光切割機

除常規(guī)的激光切割下料外，激光切割技術在圓孔切割、預留工藝豁口及工藝樣板制作等方面應用優(yōu)勢明顯，可應用于工藝裝備孔的“以切代鉆”，省去鉆孔工序的時間，提高生產效率，以及節(jié)省鉆模板的制作費用[3]。

圖2 三維激光切割機

3.2 激光加工技術在焊接領域的應用

傳統(tǒng)的工程機械焊接技術大多數采用的是氣體保護焊、埋弧焊或氬弧焊等焊接方式，焊接出來的產品往往存在著飛濺多、變形量大等質量缺陷，另外產生的焊接弧光、灰塵也會危害操作人員的身心健康。隨著技術的發(fā)展，工業(yè)制品生產企業(yè)也在就如何提升焊接質量、效率以及減少人工作業(yè)方面做了大量的工作，逐漸把汽車工業(yè)白車身的機器人焊接、流水線以及柔性制造理念引入到工程機械焊接工序。

早期由于激光功率不足和激光焊技術受限，無法在多以中厚板或超厚板為主的工程機械產品中應用。但近幾年上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學等知名高校，針對中厚板激光焊接技術進行了大量的研究及試驗，也形成了高功率激光深熔焊、電弧復合焊、超窄間隙多層填絲焊以及真空負壓激光焊等多種焊接方法[4-8]。激光電弧復合焊技術在工程機械起重機臂架應用較為成功，是將能量傳輸機制和物理特性截然不同的兩種熱源復合在一起，作用于統(tǒng)一焊接位置，可以同時發(fā)揮兩種熱源的優(yōu)勢，使焊縫熔深增大、間隙搭橋能力增強，焊接效率提高，起到1+1＞2的效果。

例如，汽車起重機伸臂材質為屈服強度960MPa的高強鋼，采用激光-雙絲MAG復合焊接（見圖3）。相比傳統(tǒng)的焊接具有焊接適應性強，可適用于高反射和難焊接以及異種材料的焊接；提高焊接過程穩(wěn)定性，改善焊縫成形，并可消除焊接缺陷，提高焊縫質量，100%全檢通過；效率提升了300%，相比單一熱源焊接，復合焊接能夠有效增加熔深50%，提高焊接速度，同時保證較小的熱輸入；具有更高的填充效率，節(jié)約30%以上單位焊絲用量。

圖3 激光-復合MAG焊應用實例

3.3 激光加工技術在再制造領域的應用

近幾年，工程機械再制造業(yè)務發(fā)展較快，一方面節(jié)能降耗，屬綠色制造范疇，國家大力提倡；另一方面再制造后的產品性能與新品基本相當，價格約為新品的2/3，用戶也逐漸接受認可，僅投入40%～60%的制造成本，企業(yè)也樂意去做。零部件再制造主要是更換一些易損件、密封件和修復機構中的磨損，這其中用到最重要的技術就是高效激光堆焊技術，也稱激光熔覆技術，主要原理為利用高功率、高密度的激光束，在基體表面形成一層微熔層，同時預置或同步添加特定成分的直熔合金粉，以此達到對磨損的零部件進行均勻修復的目的，也屬于一種增材制造技術[9]。同時具有較高的靈活性，對零部件堆焊區(qū)域可選、材料可選甚至性能可選，為實現產品的差異化定制提供了優(yōu)質可行的制造方案。如大功率推土機底盤用履帶漲緊彈簧筒由于使用中出現磨損，再制造針對磨損區(qū)域采取激光熔覆增材處理（見圖4）[10]，從耐磨多個維度指標進行檢測，表面硬度合格，熔覆狀態(tài)層硬度梯度合理，金相組織較好，可使大功率推土機彈簧筒壽命提升300%，目前不僅用于再制造，同時在新品上替代原鍍鉻+前期感應熱處理工藝，大大提升了產品在行業(yè)中的競爭力。

圖4 大功率推土機彈簧筒激光增材示意

3.4 激光加工技術在質量管理領域的應用

ISO 9000質量管理體系明確要求做好零部件的過程監(jiān)控，質量要具有可追溯性。工程機械廠家為有效地追溯零部件質量情況和使用情況，也要求自制零部件及配套商做好永久性標識，標識的內容主要包括產品名稱、物料號、圖號、生產廠家、生產日期及二維碼等基本信息。傳統(tǒng)的打標技術主要是利用氣缸不斷的機械運動沖擊物件，在標牌表面留下運動軌跡，這種方式存在著噪聲大、字跡模糊、標牌變形等缺點。而激光打標技術屬于無接觸加工，它是利用激光發(fā)出的光束，使工件表面材料瞬間熔融，通過控制激光在材料表面的路徑，從而形成圖文標記的一種方法，如圖5所示。與傳統(tǒng)方法相比，具有以下優(yōu)勢：①速度快，相比傳統(tǒng)速度提升一倍以上。②字體質量高，字跡清晰，并且很多復雜的圖案、符號、字母也可打印出來，這點是傳統(tǒng)的打標方式無法比擬的。③無接觸加工，綠色環(huán)保無污染，結合數控軟件系統(tǒng)，可以實現自動化打標。

圖5 標牌打碼應用對比實例

3.5 結論

通過以上實例可以看出，激光加工技術已不斷應用到工程機械制造的各個工序環(huán)節(jié)，當然激光清洗技術也正在吸引來自航空航天、汽車、工程機械等領域的關注[11]。該工藝可用于去除油漆、清潔模具或在焊接前去除氧化層和涂層，其速度更快，并且產生的廢料更少，目前工程機械行業(yè)應用較少。針對上述激光加工技術，大多工程機械企業(yè)已把其納入到自己的企業(yè)工藝標準，用以提升產品的品質和效率。隨著激光加工技術國產化加快，部分中小企業(yè)也嘗試購買激光設備進行激光加工，以降低人工成本，提高產品質量，但是和國外成熟的標準化應用相比，國內加工企業(yè)還有很長的路要走。

4 激光加工技術發(fā)展趨勢

激光加工技術是集機械、電氣、數控、光學及液壓等多領域結合的一門復雜系統(tǒng)，企業(yè)進入該領域的技術門檻較高，因此以英國、德國、美國為代表的發(fā)達國家，一直主導激光加工產業(yè)的發(fā)展方向。雖然我國進入該領域的起步較晚，但是隨著國家戰(zhàn)略“中國制造2025”的不斷實施，我國的激光設備廠家和科研機構奮發(fā)圖強，涌現出如華工科技、大族激光、團結激光等后起之秀，其產品和技術與國外激光設備的差距在不斷縮小。另外，激光加工技術發(fā)展也是一個漫長與艱辛的過程，需要社會各方面的努力，筆者認為未來激光加工技術會往以下幾個方面發(fā)展。

（1）激光器小型化 激光器一直作為激光加工技術的核心部件，其大小將決定整個設備的大小。前期由于微電子技術和光學技術的限制，激光器體積比較龐大，占地也較大。隨著激光器新技術（如光纖技術、紫外技術等）的不斷進步和發(fā)展，一批具有轉換效率高、工作穩(wěn)定性好、光束質量好、體積小的激光器被開發(fā)出來，從而為激光設備的小型化提供了良好的基礎。

（2）加工多能化 為適應市場的需求，激光設備廠家將不再追求單一的激光加工功能，而是開發(fā)集成切割、焊接、熱處理、噴涂中兩個或更多功能于一體的設備，為客戶實現設備價值的最大化。

（3）設備智能化 隨著互聯(lián)網技術的興起，設備智能化將是激光加工技術又一大趨勢。智能工廠將各種生產計劃、材料的加工數據上傳至企業(yè)云端，工程師們在辦公室內通過遠程終端遙控，發(fā)出作業(yè)指令，控制設備運行狀態(tài)，實現產品生產過程的數字化、自動化和信息化。

5 結束語

隨著“中國制造2025”規(guī)劃的實施，激光加工技術以其無法比擬的優(yōu)勢，成為推動工程機械產業(yè)轉型升級的重要工具。在互聯(lián)網+、5G等信息化技術大量引入之后，激光加工制造也開始向智能化制造轉型。在國家大力提倡企業(yè)堅持技術創(chuàng)新的背景下，國產激光生產廠家將不斷加大研發(fā)投入，為市場提供性價比更高的激光設備，從而帶動新興領域和傳統(tǒng)制造工藝革新，也為未來工程機械制造業(yè)激光加工技術的更加廣泛應用提供了技術支持。