大功率激光加工技术在机械工业中的应用

20 世纪 70 年代，美国进行了两大研究：一是福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接；二是通用汽车公司进行的动力转向变速箱内表面的激光淬火。这两项研究推动了之后的机械制造业中的激光加工技术的发展。到 80 年代后期，激光加工的应用实例有所增加，其中增长最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。这 3 项技术目前已经发展成熟，应用也很广泛。进入 21 世纪初始，“激光技术国家重点实验室”和“激光加工国家研究中心”率先在武汉法利莱切割系统工程有限公司组建了激光工业科研组，并选定重点研究项目，以法利莱公司作为生产和研究基地。自此，大功率激光加工技术才得以在我国机械工业领域落地生根。

激光加工技术之所以得到如此广泛的应用，是因为它与传统加工技术相比具有很多优点：一是非接触加工，没有机械力；二是可以加工高硬度、高熔点、极脆的难加工材料；三是加工精度高，热变形很小，加工质量高； 四是与现代数控机床相结合，使激光加工具有加工精度高、可控性好、程序简单、省料及污染少等特点。下面，综合介绍在机械工业中应用比较广泛的几种激光加工技术。

1. 激光切割

激光切割是利用经聚焦的高功率密度光束照射工件，材料吸收激光能，温度急剧升高，工件表面开始熔化或气化，并吹入活性气体助燃。随着激光束与工件的相对运动，在工件上形成切缝。激光照射工件表面时，一部分光被吸收，另一部分光被工件反射。吸收部分转化为热能，使工件表面温度急剧升高，材料熔化、气化，产生黑洞效应，使材料吸收率提高，迅速加热切割区材料。此时吹氧可以助燃，并提供大量热能，使切割速度提高；还可吹走熔渣，保护和冷却镜头。

激光切割有很多特点：激光可切割特硬、特脆和特软材料；切缝宽度很窄；切割表面光洁；切割表面热影响层浅，表面应力小；切割速度快，热影响区小；适合加工板材。

在工业机械生产制造中，“激光技术国家重点实验室”和武汉法利莱联合研制的 WALC4020 宽幅面数控激光切割机（见图 1 ），除了可以达到上述要求及切割幅面宽的特点外，还具有以下技术创新点：悬臂倒挂横梁、直线电动机驱动、 SIEMENS 840D 控制器、专有光束质量调整系统、穿透检测、自动聚焦、打孔切割双流量控制系统以及垂直升降式交换工作台结构等。这些技术创新使 WALC4020 激光切割机的技术性能超过其他同类产品，达到国际先进水平。

图   1

2. 激光焊接

激光焊接是一种高速度、非接触、变形小的生产加工方法，非常适合大量而连续的加工过程。法利莱大功率激光科研基地生产的专用激光焊接机，或融合焊接、切割于一体的激光加工设备，能成倍提高焊接质量。其焊接接头强度高，可以达到与母材等强度，设备性能稳定、重复性好、可靠性高，焊接接头无脱断，并且在国内率先开发出汽车排气管、传动部件和生产工件的激光焊接成套设备，能成倍提升生产效率和使用寿命，经济效益十分显著。

3. 激光硬化

激光硬化就是激光淬火，是用高能激光束快速扫描气缸孔表面，在表面极薄一层的小区域内 ( 光斑大小 ) 快速吸收能量而使温度急剧上升（见图 2 、图 3 ）。由于金属基体优良的传热、导热性，表面热量迅速传到气缸基体的其他部分，从而在极短的瞬间完成自冷淬火，实现气缸孔表面的相变硬化。

图2

图   3

激光表面硬化与常规的硬化工艺相比，其发展历史很短，但从已取得的效果来看，激光硬化处理工艺是一种具有很多特点的表面硬化处理新工艺。

其主要特点有：

（ 1 ）材料表面的高速加热和高速自冷。
    （ 2 ）激光硬化处理后的工件表面硬度高，比常规淬火要高 5 % ～ 20% ，可获得极细的硬化层组织。
    （ 3 ）由于激光加热速度快，因而热影响区小，淬火应力及变形小。
    （ 4 ）可以对形状复杂的零件和不能使用其他常规方法处理的零件进行局部硬化处理。同时，也可以根据需要在同一零件的不同部位进行不同的激光硬化处理。
    （ 5 ）激光硬化工艺周期短，生产效率高，工艺过程易实现计算机控制，自动化程度高，可纳入生产流水线。
    （ 6 ）激光硬化靠热量由表及里的传导自冷，无需冷却介质，对环境无污染。

由热处理理论可知，材料热处理后的硬度与温度的变化速率有密切关系。变化速率越大，硬度越高，耐磨性越好。激光淬火后，在工件表面可得到晶体细化、组织致密的马氏体和莱氏体，表层石墨消失，碳化物含量增加，弥散度提高，在次表层产生残余奥氏体。对铸铁材料来说，工件表面硬度大幅度提高后，硬度可从原来的 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劳性能和抗腐蚀性能也获得明显提高。

随着大功率激光器的研制成功，激光加工技术在机械工业得到迅速发展和广泛应用，大功率激光切割焊接技术必将为民族工业起到很好的助推作用！