激光在現代制造技術中的應用分析

張浩浩

三峽電力職業學院，湖北 宜昌 443000

0 引言

激光切割技術的本質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氣化，同時在輔助氣體的作用之下處理熔化物或者氧化物，完成整個切割的操作中。激光切割技術是一種非常先進的機械制造加工技術，對于提高機械制造企業的核心競爭力和總體水平有著非常重要的作用。

1 激光加工的特點

激光加工最初是德國在20世紀60年代研發和提出的，其工作原理就是應用激光器形成高能量的粒子直接把需要加工的金屬熔化或者氣化，然后衍生出很多加工技術。因為激光束的穩定性、抗干擾能力非常強，外部環境的影響范圍較小，所以很多金屬或者非金屬材料都可以達到高質量的加工要求，加工精度非常高。

激光加工技術的主要優勢就是精度高，從實際情況分析，可以總結為“高、快、好、省、廣”。

（1）高。激光加工的精度非常高、工作效率高，因此也具備較高的經濟效益。比如一臺激光切割機的設備價值為30萬元，在企業生產中，一年半的時間可以回收設備成本，然后產生利潤。

（2）快。激光加工技術可以實現高速度加工。因為激光具備較高的能量，屬于高能量光源，所以加工速度很快，最高可達100 m/min。

（3）好。激光加工技術的抗干擾能力非常強，可以抵御外部環境的侵蝕和影響，故加工完成的工件質量好，這是普通加工機床所無法比擬的。

（4）省。激光設備進行產品的加工，可以全面的提升材料的利用率，從目前統計數據分析發現，和其他加工技術對比，激光加工可以節約10%～30%的材料。另外，激光加工并不會直接和被加工材料接觸，因此耗材消耗較少。

（5）廣。激光切割技術可以加工的材料范圍比較廣，除了金屬材料，還可以進行非金屬材料的加工。此外，激光切割技術可以進行多種工藝的加工，比如直線、曲線、異型圖案等[1]。

2 激光切割技術的主要類型

（1）汽化切割。汽化切割是目前激光切割技術應用范圍較廣的一種技術。這一技術應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，除了極少數的被反射出去，其他絕大部分都會被吸收轉化成為熱能，可以在表面達到沸騰溫度的要求，完成加工作業。此外，從表面氧化的實際情況分析，吸收率的提升效果非常明顯，噴出的蒸汽會帶走比較多的熔融材料，然后就會直接形成汽化切口。汽化切割技術一般都是應用脈沖激光進行加工，比如塑料、木料、陶瓷等都可以進行加工。

（2）熔化切割。熔化切割在應用中，對激光的功率要求比較高，必須達到工件表面加工強度的性能要求。熔化切割與汽化切割有著很大的差異，其加工之后形成的熔化物不是通過氣化清理掉的，而需要使用輔助氣體進行吹除處理。熔化切割技術并不會存在蒸汽對激光束的發射與吸收方面的問題，激光束在切口間隙內移動時，和前側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，其形成的射角比較大，所以吸收激光的能量之后不能立即熔化，此時要逐一完成，且最終切割后會產生波浪紋的形式[2]。

（3）反應熔化切割。該技術的應用就是利用激光束達到工件表面的燃點，然后通過工業純氧和材料形成氧化反應，最終釋放出大量的熱量，切口的位置上，材料經過氧化燃燒后會形成熔融氧化物，吹除之后形成切口的同時，還會存在比較多的熱量供給相鄰材料，讓其達到燃點的要求，此時就可以確保反應熔化切割的順利進行。該技術所使用的激光功率更小，只有汽化切割的1/20左右，目前已經成為鋼、鈦等材料的切割主要技術。

3 激光加工技術在機械制造中的應用

隨著科技的發展和進步，激光切割技術水平也有了很大的提升，并且不斷地應用于機械制造領域內，下面介紹幾種常見的技術。

（1）激光加工技術在板材切割下料領域的應用。激光切割的原理就是通過激光振蕩器形成的激光光束利用聚焦鏡進行聚焦，然后會形成高密度的能量直接照射到材料的表面，讓其經過熔化蒸發，然后完成加工的過程中。和其他熱切割方式對比，由于激光的單位能量非常大，因此可以實現高精度的切割。

在當前的板材加工領域內，最為主要的激光切割技術包含兩種，即CO2激光切割機和光纖激光切割機。CO2激光切割機的研發和應用時間比較長，先進性不如光纖激光切割技術，波長大約是光纖的1/10。傳播通常是和外界空氣隔離的光路內完成的，光纖激光在光纖內傳播，通過性良好、能量聚集比較高，熱影響很小，切割線的寬度更小，加工的效率也更高，因此可以有效提高材料的利用率，防止發生熱變形的問題。除了常規的激光切割下料技術之外，激光切割技術應用到圓孔切割、預留孔工藝豁口、工藝樣板制作等方面有著非常明顯的優勢，替代鉆孔的方式進行加工，工作效率大幅提升，還可以減少模板的成本[3]。

（2）激光加工技術在焊接領域的應用。傳統機械焊接技術應用最廣泛的方式就是氣體保護焊、埋弧焊、氬弧焊等方式，所形成的焊接產品缺陷比較多，導致的變形問題也非常的嚴重，同時焊接弧光的存在容易導致光污染，也會有粉塵污染的問題，威脅作業人員的生命健康。科學技術的發展和進步，使工業生產中焊接質量、效率的提升效果明顯，還能夠降低人員勞動強度，并且已經全面應用到機器人焊接、流水線作業等工序內。

在研發之初，因為激光功率比較低、激光焊接技術水平較低，并不能對于中厚板、厚板進行加工。但是隨著我國科學技術的發展，對中厚板激光焊接技術的全面試驗不斷增加，并且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。激光電弧復合焊接技術在機械起重機臂架上實現有效的應用，可以直接把能量傳輸機制和物理特性兩種完全不同的熱源復合利用，實現統一焊接作業，把兩種熱源的優勢完全展示出來，焊縫熔深大、間隙搭橋能力好、焊接速度非常快，可切實提升加工效果。

例如，汽車起重機伸臂材質為屈服強度960 MPa的高強鋼，采用激光-雙絲MAG復合焊接。與傳統焊接技術相比，該技術可以適應多種條件的應用，尤其是高反射、難焊接、異種材料方面效果非常好；焊接穩定性好，提高焊接變形，避免發生焊接缺陷問題，促進焊接質量的提升；工作效率提升3倍以上，較之單一熱源焊接來說，復合焊接可以增加熔深50%，促進焊接速度的提升，以較小的輸入可以完成焊接作業；填充效率高，焊絲節約30%左右。

（3）激光加工技術在再制造領域的應用。隨著機械再制造領域的發展，其可以實現能源的節約，符合我國綠色發展的戰略，同時還能夠保證再制造之后的產品性能和新產品是完全一致的，而成本卻可以降低2/3，因此企業也比較愿意投入。零部件再制造主要是針對某些損壞的零部件加工，目前最為關鍵的就是高效激光堆焊技術，其原理就是通過高密度、高功率的激光束進行加工，在基體的表面形成微熔層的結構，然后預置或者同時加入規定成分的直熔合金屬材料，可以有效促進磨損部件的修復處理，實現材料的再制造。該技術的靈活性非常好，對于零部件堆焊材料可以任意選擇，實現差異化產品加工的要求[4]。比如大功率推土機底盤履帶漲緊彈簧筒在工作中發生嚴重的磨損問題，再制造環節可以對磨損的部位使用激光熔覆增材處理，加工完成后，從多個方面進行檢測，發現硬度完全合格，熔覆狀態層硬度梯度合理，金相組織達到規定要求，使用壽命延長約30%，同時具備較高的經濟效益，避免材料或者部件的浪費，綜合效益好。

（4）激光加工技術在質量管理領域的應用。ISO9000質量管理體系中對于零部件實施全過程的監控和管理，讓產品質量有可追溯性。機械廠進行零件的可追溯管理，通常需要在零部件上增加永久性的標識，直接標注好產品的名稱、物料號、圖號、廠家、日期以及二維碼等信息，傳統打標技術是氣缸持續性沖擊零件，然后形成運動軌跡，這種方式的缺陷就是噪音大、字跡模糊以及標牌易變形等。而激光打標技術可以實現無接觸加工，在零部件表面形成圖文標記。該方式的主要優勢是①加工速度比較快，與傳統方式對于提升約11倍；②字跡清晰，只需要電腦排版制作，再復雜的圖案都能夠直接打出來，效果非常好；③無接觸加工，不會產生污染問題，也不會給工件造成損傷，完全滿足可追溯的要求。

4 結束語

盡管當下激光加工技術日趨成熟，且被廣泛應用于現代加工制造領域，然而，在我國全面開展技術創新的背景之下，激光生產廠家需積極研發出更高水平的激光設備，切實提升機械制造加工的總體水平。未來激光技術必然會有更加廣闊的發展空間，為我國機械制造領域的全面發展助力。