论文部分内容阅读
摘 要： 激光加工技术在机械制造中的应用能够大大增强加工材料以及零部件的性能，有效提升机械制造的效率和质量，进一步缩短机械制造的时间，在很大程度上降低了机械制造的成本，对制造企业经济效益的全面提升有非常大的促进作用。本文从机械制造中常用的几种激光加工技术着手，阐述了这些技术实际应用原理和效果，以供相关人员参考。
关键词： 激光加工；机械制造；激光熔覆；激光切割
最近几十年来，各个领域的科学技术不断取得突破，其中激光加工技术飞速发展，目前已经在很多领域取代了人工加工工艺。在机械制造过程中应用激光加工技术，能够对各种材料进行加工和处理，在提高材料性能的同时，也相应促进了激光加工技术的进一步发展。激光加工技术凭借诸多优势，已经广泛应用在现代机械制造领域中，对机械制造类企业的快速发展有十分重要的现实意义。
1.激光加工技术的基本原理
通过科学实验可以充分了解激光的形成原理，实验人员利用特定工具将光能或电能撞击到某些晶体或原子内易激发物质上，这些原子携带的电子会处在高能量状态，而后在高能量转化成低能量的过程中，原子会产生更多的能量，从而释放出光子。这些光子又再次撞击原子，原子就随之产生光子，在此循环过程中，光子集中朝统一方向运行，形成具有强大能量的光，也就是激光。激光能量极强，能够轻松穿透多种材料。比如，众所周知的红宝石激光，其输出脉冲的所有能量尚不能加热冷水到沸点，但其能穿透5毫米厚的钢板。由此可知，虽然激光的光能普通，但其功率密度非常高，具有极强的穿透能力，远超普通光束的性能，所以，激光加工技术被广泛应用在机械制造等诸多领域中。
2.激光加工技术在机械制造中的应用
2.1激光处理技术在机械制造中的应用
在机械材料处理过程中常用的激光加工技术有热处理技术和表面强化技术两种，这两种技术的应用能够使机械材料表面温度快速升高，在即将达到熔点时就促使材料形态迅速发生改变，以实现对材料表面的处理。激光加工技术是在过去热处理技术的基础上发展过来的，机械材料被激光处理后，材料的耐腐蚀性以及抗疲劳性等多种性能都得到进一步增强，并且材料的使用年限也相应延长。激光加工技术在工件表面处理中的应用，在很大程度上提升了材料的物理特性，对提高产品质量有非常大的促进作用。
激光加工技术不仅可以独自应用，还能与其他技术有效结合，从而形成新的材料处理方式。比如，激光技术与CAD技术的有机结合，就在材料处理方面开辟了一条新的途径。技术人员在计算机系统中利用CAD技术来控机械设计流程，对零部造型进行合理设计，然后在此基础上利用激光技术进行加工和处理。利用CAD技术设计出的零部件造型的精确度非常高，能够有效简化零部件的制造流程，从而降低其制造难度。同时若零部件造型设计存在缺陷，还可以利用CAD进行及时修改修正，以提高产品的完美程度。
2.2激光熔覆技术在机械制造中的应用
激光熔覆技术是通过各种填料方式将相关涂层材料布设在材料表面，利用激光照射促使材料表面薄层与涂层材料在同一时间熔化，以有效增强材料的耐热耐磨等多种性能。不少材料在进行表面处理后，其硬度可达到处理前的很多倍。例如，利用碳钨激光熔覆技术对60号钢进行有效处理后，其硬度能超过2200维氏硬度，耐腐蚀性能也提高到处理前的二十倍左右。
现阶段，激光熔覆技术主要用于损坏工件的修复以及材料表面改性。英国劳斯莱斯公司很早就利用激光熔覆技术来改善汽车发动机性能，在很大程度上提高了发动机的硬度与耐磨性能。美国AVCO公司利用激光熔覆技术对汽车排气门合金熔覆处理，极大地增强了排气门的耐腐蚀性以及抗冲击能力，并且有效降低生产成本。激光熔覆技术还能在汽车齿轮以及换向器等零部件的加工制造过程中有效应用。近几年，激光熔覆技术在汽车曲轴以及发动机叶片的修复处理中取得了突破，利用该技术修复过的零部件性能都能与新产品相媲美，并且其修复成本也相对降低了很多。
2.3激光切割技术在机械制造中的应用
激光切割技术在机械制造中的应用原理与激光熔覆技术没有太大差异，也是利用激光的高能激光束对工件进行照射，使其迅速升温。不同之处在于，激光切割技术是持续加热材料直到气化，产生的蒸汽迅速外排，或将材料熔化后利用特定气体将液态材料及其熔渣排出，从而在材料上形成切缝。激光切割技术不仅能够应用在多種合金材料或钢材的加工过程中，还能应用在陶瓷、塑料等非金属材料的加工中。在利用激光切割技术对材料进行加工时，激光束几乎不会影响其他非照射部位，也就是说其热影响的面积较小，工件几乎不会发生热变形情况。同时，该技术切割后的切口细小，切缝面光滑，切割质量良好。
在汽车制造领域，激光三维切割技术已经完全取代了过去的冲孔与修边模工艺，使车身覆盖件的生产时间大大缩短。我国的工程机械制造领域中，徐工集团等也都先后引进了大幅面激光切割机。另外，激光切割技术在航空制造领域中的飞机框架、机翼长桁等部件制造加工中也得以广泛应用。
2.4激光焊接技术在机械制造中的应用
激光能够在瞬间释放出极高的热能，而激光焊接技术就是利用激光的这种高热性能加热工件，来熔化材料而进行焊接连接的。激光焊接技术是一种非接触式焊接，在一定情况下要添加一定的金属填料，根据不同的材料质地采用相应的保护气体，以避免熔池发发生氧化现象。激光焊接技术在焊接灵活度和速度方面有很大优势，利用该技术焊接过的工件基本不会出现变形问题，在焊接后无需进行热处理。
激光焊接技术在航空领域中应用较为普遍，在焊接铝合金方面已经完全取代了过去的铆接技术，从而能将航空器重量降低两成左右，而相应的成本支出也减少了至少两成。欧洲空中客车公司将激光焊接技术应用在飞机制造中，成功提高了飞机制造的效率和质量，为公司带来了很大的经济效益，引发了航空制造领域的技术革命。而我国的研发人员也研发出双光束激光填丝复合焊接设备，能够对大型薄壁结构T型接头进行双光束双侧同步焊接，并在一些航空器的带金壁板重要构件的焊接过程中成功应用了该技术，为我国的航空制造也做出了极大贡献。
2.5激光增材制造技术在机械制造中的应用
目前在市场上广泛流传的3D打印技术实际上是激光增材制造的别称，该技术利用大功率的激光高能量源，以合金粉末或丝材作为原料，通过三维模型数据进行分层加工制造，一层层累积叠加，从而把CAD数字模型转化加工为三维实体零件。从该技术的应用原理来看，可划分为激光选区熔化工艺以及激光金属直接成形工艺。前者是首先把粉末铺设好，其次通过高能量激光束根据设定好的路径对金属粉末进行扫描，促使其快速熔化，最后冷却凝固成形。后者是根据设定好的加工路径，通过激光束把一起送入的金属粉末快速熔化并迅速凝固，这样一层层叠加最终成形。激光增材制造技术的优势在于加工制造过程不需要模具，加工流程相对较短，并且该技术的柔性非常高，可用于高活性、难切削以及难熔类的材料加工，还能用于结构复杂的薄壁零件加工，经过该技术加工后的零部件各方面性能都相对较强。
总之，激光加工技术在机械制造中的应用，能够为机械制造类企业生产出更多质量更高的产品提供很大支持，是目前机械制造领域不可或缺的重要加工技术。机械制造类企业要高度重视激光加工技术类人才的培养，加大对激光加工技术的研发力度，以通过技术的提升来完成企业的转型升级，从而实现企业的健康、可持续发展。
参考文献
[1]赵元安， 胡国行， 刘晓凤，等. 激光预处理技术及其应用[J]. 光学精密工程， 2016， 24（12）：2938-2947.
[2]常成， 刘建永， 杨伟，等. 激光熔覆技术及其在汽车工业中的应用[J]. 湖北汽车工业学院学报， 2016， 30（2）：49-53.
[3]王新明， 孙有亮， 陈立伟，等. 对激光切割技术在国内外发展现状的研究[J]. 现代商贸工业， 2017（16）：176-177.
关键词： 激光加工；机械制造；激光熔覆；激光切割
最近几十年来，各个领域的科学技术不断取得突破，其中激光加工技术飞速发展，目前已经在很多领域取代了人工加工工艺。在机械制造过程中应用激光加工技术，能够对各种材料进行加工和处理，在提高材料性能的同时，也相应促进了激光加工技术的进一步发展。激光加工技术凭借诸多优势，已经广泛应用在现代机械制造领域中，对机械制造类企业的快速发展有十分重要的现实意义。
1.激光加工技术的基本原理
通过科学实验可以充分了解激光的形成原理，实验人员利用特定工具将光能或电能撞击到某些晶体或原子内易激发物质上，这些原子携带的电子会处在高能量状态，而后在高能量转化成低能量的过程中，原子会产生更多的能量，从而释放出光子。这些光子又再次撞击原子，原子就随之产生光子，在此循环过程中，光子集中朝统一方向运行，形成具有强大能量的光，也就是激光。激光能量极强，能够轻松穿透多种材料。比如，众所周知的红宝石激光，其输出脉冲的所有能量尚不能加热冷水到沸点，但其能穿透5毫米厚的钢板。由此可知，虽然激光的光能普通，但其功率密度非常高，具有极强的穿透能力，远超普通光束的性能，所以，激光加工技术被广泛应用在机械制造等诸多领域中。
2.激光加工技术在机械制造中的应用
2.1激光处理技术在机械制造中的应用
在机械材料处理过程中常用的激光加工技术有热处理技术和表面强化技术两种，这两种技术的应用能够使机械材料表面温度快速升高，在即将达到熔点时就促使材料形态迅速发生改变，以实现对材料表面的处理。激光加工技术是在过去热处理技术的基础上发展过来的，机械材料被激光处理后，材料的耐腐蚀性以及抗疲劳性等多种性能都得到进一步增强，并且材料的使用年限也相应延长。激光加工技术在工件表面处理中的应用，在很大程度上提升了材料的物理特性，对提高产品质量有非常大的促进作用。
激光加工技术不仅可以独自应用，还能与其他技术有效结合，从而形成新的材料处理方式。比如，激光技术与CAD技术的有机结合，就在材料处理方面开辟了一条新的途径。技术人员在计算机系统中利用CAD技术来控机械设计流程，对零部造型进行合理设计，然后在此基础上利用激光技术进行加工和处理。利用CAD技术设计出的零部件造型的精确度非常高，能够有效简化零部件的制造流程，从而降低其制造难度。同时若零部件造型设计存在缺陷，还可以利用CAD进行及时修改修正，以提高产品的完美程度。
2.2激光熔覆技术在机械制造中的应用
激光熔覆技术是通过各种填料方式将相关涂层材料布设在材料表面，利用激光照射促使材料表面薄层与涂层材料在同一时间熔化，以有效增强材料的耐热耐磨等多种性能。不少材料在进行表面处理后，其硬度可达到处理前的很多倍。例如，利用碳钨激光熔覆技术对60号钢进行有效处理后，其硬度能超过2200维氏硬度，耐腐蚀性能也提高到处理前的二十倍左右。
现阶段，激光熔覆技术主要用于损坏工件的修复以及材料表面改性。英国劳斯莱斯公司很早就利用激光熔覆技术来改善汽车发动机性能，在很大程度上提高了发动机的硬度与耐磨性能。美国AVCO公司利用激光熔覆技术对汽车排气门合金熔覆处理，极大地增强了排气门的耐腐蚀性以及抗冲击能力，并且有效降低生产成本。激光熔覆技术还能在汽车齿轮以及换向器等零部件的加工制造过程中有效应用。近几年，激光熔覆技术在汽车曲轴以及发动机叶片的修复处理中取得了突破，利用该技术修复过的零部件性能都能与新产品相媲美，并且其修复成本也相对降低了很多。
2.3激光切割技术在机械制造中的应用
激光切割技术在机械制造中的应用原理与激光熔覆技术没有太大差异，也是利用激光的高能激光束对工件进行照射，使其迅速升温。不同之处在于，激光切割技术是持续加热材料直到气化，产生的蒸汽迅速外排，或将材料熔化后利用特定气体将液态材料及其熔渣排出，从而在材料上形成切缝。激光切割技术不仅能够应用在多種合金材料或钢材的加工过程中，还能应用在陶瓷、塑料等非金属材料的加工中。在利用激光切割技术对材料进行加工时，激光束几乎不会影响其他非照射部位，也就是说其热影响的面积较小，工件几乎不会发生热变形情况。同时，该技术切割后的切口细小，切缝面光滑，切割质量良好。
在汽车制造领域，激光三维切割技术已经完全取代了过去的冲孔与修边模工艺，使车身覆盖件的生产时间大大缩短。我国的工程机械制造领域中，徐工集团等也都先后引进了大幅面激光切割机。另外，激光切割技术在航空制造领域中的飞机框架、机翼长桁等部件制造加工中也得以广泛应用。
2.4激光焊接技术在机械制造中的应用
激光能够在瞬间释放出极高的热能，而激光焊接技术就是利用激光的这种高热性能加热工件，来熔化材料而进行焊接连接的。激光焊接技术是一种非接触式焊接，在一定情况下要添加一定的金属填料，根据不同的材料质地采用相应的保护气体，以避免熔池发发生氧化现象。激光焊接技术在焊接灵活度和速度方面有很大优势，利用该技术焊接过的工件基本不会出现变形问题，在焊接后无需进行热处理。
激光焊接技术在航空领域中应用较为普遍，在焊接铝合金方面已经完全取代了过去的铆接技术，从而能将航空器重量降低两成左右，而相应的成本支出也减少了至少两成。欧洲空中客车公司将激光焊接技术应用在飞机制造中，成功提高了飞机制造的效率和质量，为公司带来了很大的经济效益，引发了航空制造领域的技术革命。而我国的研发人员也研发出双光束激光填丝复合焊接设备，能够对大型薄壁结构T型接头进行双光束双侧同步焊接，并在一些航空器的带金壁板重要构件的焊接过程中成功应用了该技术，为我国的航空制造也做出了极大贡献。
2.5激光增材制造技术在机械制造中的应用
目前在市场上广泛流传的3D打印技术实际上是激光增材制造的别称，该技术利用大功率的激光高能量源，以合金粉末或丝材作为原料，通过三维模型数据进行分层加工制造，一层层累积叠加，从而把CAD数字模型转化加工为三维实体零件。从该技术的应用原理来看，可划分为激光选区熔化工艺以及激光金属直接成形工艺。前者是首先把粉末铺设好，其次通过高能量激光束根据设定好的路径对金属粉末进行扫描，促使其快速熔化，最后冷却凝固成形。后者是根据设定好的加工路径，通过激光束把一起送入的金属粉末快速熔化并迅速凝固，这样一层层叠加最终成形。激光增材制造技术的优势在于加工制造过程不需要模具，加工流程相对较短，并且该技术的柔性非常高，可用于高活性、难切削以及难熔类的材料加工，还能用于结构复杂的薄壁零件加工，经过该技术加工后的零部件各方面性能都相对较强。
总之，激光加工技术在机械制造中的应用，能够为机械制造类企业生产出更多质量更高的产品提供很大支持，是目前机械制造领域不可或缺的重要加工技术。机械制造类企业要高度重视激光加工技术类人才的培养，加大对激光加工技术的研发力度，以通过技术的提升来完成企业的转型升级，从而实现企业的健康、可持续发展。
参考文献
[1]赵元安， 胡国行， 刘晓凤，等. 激光预处理技术及其应用[J]. 光学精密工程， 2016， 24（12）：2938-2947.
[2]常成， 刘建永， 杨伟，等. 激光熔覆技术及其在汽车工业中的应用[J]. 湖北汽车工业学院学报， 2016， 30（2）：49-53.
[3]王新明， 孙有亮， 陈立伟，等. 对激光切割技术在国内外发展现状的研究[J]. 现代商贸工业， 2017（16）：176-177.