大功率激光加工技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用

　　激光加工是20世紀(jì)60年代初期興起的一項(xiàng)新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、糧油機(jī)械、特種汽車(chē)、鋸片及造船等行業(yè)。尤以在機(jī)械行業(yè)的發(fā)展速度最快，而在機(jī)械制造業(yè)中的廣泛使用又進(jìn)一步推動(dòng)了激光加工技術(shù)的工業(yè)化。

　　20世紀(jì)70年代，美國(guó)進(jìn)行了兩大研究：

　　一是福特汽車(chē)公司進(jìn)行的車(chē)身鋼板的激光焊接；二是通用汽車(chē)公司進(jìn)行的動(dòng)力轉(zhuǎn)向變速箱內(nèi)表面的激光淬火。這兩項(xiàng)研究推動(dòng)了之后的機(jī)械制造業(yè)中的激光加工技術(shù)的發(fā)展。到80年代后期，激光加工的應(yīng)用實(shí)例有所增加，其中增長(zhǎng)最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。這3項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展成熟，應(yīng)用也很廣泛。進(jìn)入21世紀(jì)初始，激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和激光加工國(guó)家研究中心率先在華工激光工程有限責(zé)任公司組建了激光工業(yè)科研所，并選定重點(diǎn)研究項(xiàng)目，以華工激光作為生產(chǎn)和研究基地。自此，大功率激光加工技術(shù)才得以在我國(guó)機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域落地生根。

　　激光加工技術(shù)之所以得到如此廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗c傳統(tǒng)加工技術(shù)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：一是非接觸加工，沒(méi)有機(jī)械力；二是可以加工高硬度、高熔點(diǎn)、極脆的難加工材料；三是加工精度高，熱變形很小，加工質(zhì)量高；四是與現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床相結(jié)合，使激光加工具有加工精度高、可控性好、程序簡(jiǎn)單、省料及污染少等特點(diǎn)。下面，綜合介紹在機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛的幾種激光加工技術(shù)。

　　激光切割激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度光束照射工件，材料吸收激光能，溫度急劇升高，工件表面開(kāi)始熔化或氣化，并吹入活性氣體助燃。隨著激光束與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在工件上形成切縫。激光照射工件表面時(shí)，一部分光被吸收，另一部分光被工件反射。吸收部分轉(zhuǎn)化為熱能，使工件表面溫度急劇升高，材料熔化、氣化，產(chǎn)生黑洞效應(yīng)，使材料吸收率提高，迅速加熱切割區(qū)材料。此時(shí)吹氧可以助燃，并提供大量熱能，使切割速度提高，還可吹走熔渣，保護(hù)和冷卻鏡頭。

　　激光切割有很多特點(diǎn)：激光可切割特硬、特脆和特軟材料；切縫寬度很窄；切割表面光潔；切割表面熱影響層淺，表面應(yīng)力?。磺懈钏俣瓤?，熱影響區(qū)小；適合加工板材。

　　在工業(yè)機(jī)械生產(chǎn)制造中，激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和華工激光聯(lián)合研制的WALC4020寬幅面數(shù)控激光切割機(jī)，除了可以達(dá)到上述要求及切割幅面寬的特點(diǎn)外，還具有以下技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：懸臂倒掛橫梁、直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、SIEMENS840D控制器、專有光束質(zhì)量調(diào)整系統(tǒng)、穿透檢測(cè)、自動(dòng)聚焦、打孔切割雙流量控制系統(tǒng)以及垂直升降式交換工作臺(tái)結(jié)構(gòu)等。這些技術(shù)創(chuàng)新使WALC4020激光切割機(jī)的技術(shù)性能超過(guò)其他同類產(chǎn)品，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

　　激光焊接激光焊接是一種高速度、非接觸、變形小的生產(chǎn)加工方法，非常適合大量而連續(xù)的加工過(guò)程。大功率激光科研基地生產(chǎn)的專用激光焊接機(jī)，或融合焊接、切割于一體的激光加工設(shè)備，能成倍提高焊接質(zhì)量。其焊接接頭強(qiáng)度高，可以達(dá)到與母材等強(qiáng)度，設(shè)備性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、可靠性高，焊接接頭無(wú)脫斷，并且在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)發(fā)出汽車(chē)排氣管、傳動(dòng)部件和生產(chǎn)工件的激光焊接成套設(shè)備，能成倍提升生產(chǎn)效率和使用壽命，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

　　激光硬化激光硬化就是激光淬火，是用高能激光束快速掃描氣缸孔表面，在表面極薄一層的小區(qū)域內(nèi)（光斑大?。┛焖傥漳芰慷鴾囟燃眲∩仙?。由于金屬基體優(yōu)良的傳熱、導(dǎo)熱性，表面熱量迅速傳到氣缸基體的其他部分，從而在極短的瞬間完成自冷淬火，實(shí)現(xiàn)氣缸孔表面的相變硬化。

　　激光表面硬化與常規(guī)的硬化工藝相比，其發(fā)展歷史很短，但從已取得的效果來(lái)看，激光硬化處理工藝是一種具有很多特點(diǎn)的表面硬化處理新工藝。其主要特點(diǎn)有：

　　材料表面的高速加熱和高速自冷。

　　激光硬化處理后的工件表面硬度高，比常規(guī)淬火要高5％～20％，可獲得極細(xì)的硬化層組織。

　　由于激光加熱速度快，因而熱影響區(qū)小，淬火應(yīng)力及變形小。

　　可以對(duì)形狀復(fù)雜的零件和不能使用其他常規(guī)方法處理的零件進(jìn)行局部硬化處理。同時(shí)，也可以根據(jù)需要在同一零件的不同部位進(jìn)行不同的激光硬化處理。

　　激光硬化工藝周期短，生產(chǎn)效率高，工藝過(guò)程易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度高，可納入生產(chǎn)流水線。

　　激光硬化靠熱量由表及里的傳導(dǎo)自冷，無(wú)需冷卻介質(zhì)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

　　由熱處理理論可知，材料熱處理后的硬度與溫度的變化速率有密切關(guān)系。變化速率越大，硬度越高，耐磨性越好。激光淬火后，在工件表面可得到晶體細(xì)化，組織致密的馬氏體和萊氏體，表層石墨消失，碳化物含量增加，彌散度提高，在次表層產(chǎn)生殘余奧氏體。對(duì)鑄鐵材料來(lái)說(shuō)，工件表面硬度大幅度提高后，硬度可從原來(lái)的180～250HV提高到1000HV左右，耐磨性提高3～4倍以上，而且工件表面的抗疲勞性能和抗腐蝕性能也獲得明顯提高。

　　隨著大功率激光器的研制成功，激光加工技術(shù)在機(jī)械工業(yè)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，大功率激光切割焊接技術(shù)必將為民族工業(yè)起到很好的助推作用！