本文介紹了激光加工的原理及特點，分析了激光切割、激光焊接、激光表面淬火、激光熔覆、激光合金化、激光無模成形以及激光打標技術(shù)在汽車零部件制造中的應(yīng)用。

1激光加工的原理

激光是一種強度高、方向性好、單色性好的相干光。由于激光的發(fā)散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的(微米甚至亞微米)小斑點上，加上它本身強度高，故可以使其焦點處的功率密度達到105～1013W/cm2，溫度可達10000℃以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時產(chǎn)生方向性很強的沖擊。因此，激光加工是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程。

2激光加工特點

激光加工的特點主要有以下幾個方面：

幾乎對所有的金屬和非金屬材料都可以進行激光加工。

激光能聚焦成極小的光斑，可進行微細和精密加工，如微細窄縫和微型孔的加工。

可用反射鏡將激光束送往遠離激光器的隔離室或其它地點進行加工。

加工時不需用刀具，屬于非接觸加工，無機械加工變形。

無需加工工具和特殊環(huán)境，便于自動控制連續(xù)加工，加工效率高，加工變形和熱變形小。

3 激光加工技術(shù)在汽車零部件制造中的應(yīng)用

3.1激光切割

激光切割大多采用大功率的CO2激光器，對于精細切割，也可采用YAG激光器。激光可以切割金屬，也可以切割非金屬。在激光切割過程中，由于激光對被切割材料不產(chǎn)生機械沖擊和壓力，再加上激光切割切縫小，便于自動控制，故在實際中常用來加工玻璃、陶瓷、各種精密細小的零部件。激光切割以其切割范圍廣、切割速度高、切縫窄、切割質(zhì)量好，熱影響區(qū)小，加工柔性大等優(yōu)點在現(xiàn)代工業(yè)中得到了極為廣泛的應(yīng)用，激光切割技術(shù)也成為激光加工技術(shù)中最為成熟的技術(shù)之一。

從工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域來看，金屬和非金屬的激光切割是激光加工最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，最具代表性的應(yīng)用是在汽車工業(yè)中，從轎車底板的激光拼焊，頂棚的激光焊接，車身覆蓋件三維輪廓的激光切割到汽車轉(zhuǎn)向器殼體的激光淬火等，都有大量的應(yīng)用。據(jù)估計，約有60%的汽車零部件可以通過激光加工來提高質(zhì)量。激光切割過程中無“刀具”的磨損，無“切削力”作用于工件，激光切割板材其切割效率可以提高8～20倍，節(jié)省材料15%～30%，可以大幅度降低生產(chǎn)成本，且加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量可靠。美國、歐洲和日本等工業(yè)發(fā)達國家的激光加工已經(jīng)形成了一個新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，工業(yè)激光器和激光加工機的銷售逐年遞增，應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)模不斷擴大。由于激光切割發(fā)展迅猛，在全球已生產(chǎn)、銷售用于激光加工領(lǐng)域的工業(yè)激光器中有超過40%的激光器是用作切割用途的。

日本主要用于大型覆蓋件的下料切邊，擋風板的激光切割等。美國福特和通用汽車公司以及日本的豐田、日產(chǎn)等汽車公司，在汽車生產(chǎn)線上普遍采用激光切割技術(shù)。它不必采用各種規(guī)格的金屬模具，除了快速方便地切割各種不同形狀的坯料外，還用來大量切割加工因規(guī)格不同，需要更改的零件安裝孔位置，如汽車標志燈、車架、車身兩側(cè)裝飾線等。三維激光切割技術(shù)在20世紀80年代就開始在汽車車身制造中應(yīng)用，切割時只需用平直的支撐塊來支撐工件，因此，夾具的制作不僅成本低而且快速。由于與CAD/CAM技術(shù)相結(jié)合，切割過程易于控制，可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)和并行加工，從而實現(xiàn)高效率的切割生產(chǎn)。相對于CO2激光器，YAG的激光可通過光導(dǎo)纖維輸送，比較靈活方便，適用于機器人手執(zhí)激光“噴嘴”配程序控制進行精確操作，因此在三維切割時大多采用。三維激光切割在車身裝配后的加工也十分有用，例如開行李架固定孔、頂蓋滑軌孔、天線安裝孔、修改車輪擋泥板形狀等。在新車試制中用于切割輪廓和修正，既縮短了試制周期又省開了模具，充分體現(xiàn)出采用激光切割加工的優(yōu)點。

3.2激光焊接

當激光的功率密度為105～107 W/cm2，照射時間約為1/100 s左右時，可進行激光焊接。激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起即可。激光焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量高，既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還可透過玻璃進行焊接。激光焊接技術(shù)已在航空航天、武器制造、船舶工業(yè)、汽車制造、壓力容器制造、民用及醫(yī)用等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在航空工業(yè)以及其他許多應(yīng)用中，激光焊接能夠?qū)崿F(xiàn)很多類型材料的連接，而且激光焊接通常具有許多其他熔焊工藝所無法比擬的優(yōu)越性，尤其是激光焊接能夠連接航空與汽車工業(yè)中比較難焊的薄板合金材料，如鋁合金等，并且構(gòu)件的變形小，接頭質(zhì)量高，重現(xiàn)性好。在汽車工業(yè)中，傳統(tǒng)焊接有電阻焊、CO2電弧焊、手工焊等焊接工藝。但傳統(tǒng)的焊接方法存在焊接后變形量大、焊縫質(zhì)量較差、容易產(chǎn)生氣孔、熱影響區(qū)大等焊接缺陷，不宜于尺寸要求高、變形量小的薄板焊接和變速箱齒輪軸類焊接。而自從20世紀60年代以來，隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，由最初的紅寶石激光器到大功率CO2激光出現(xiàn)，使汽車工業(yè)在內(nèi)的加工行業(yè)得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了激光焊接工藝。激光焊接不僅能很好焊接各類金屬，而且能焊接非金屬、半導(dǎo)體、陶瓷等，并具有焊后熱變形量小、焊縫質(zhì)量好等特點。

汽車工業(yè)中，激光技術(shù)主要用于車身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在車身設(shè)計制造中，根據(jù)車身不同的設(shè)計和性能要求，選擇不同規(guī)格的鋼板，通過激光裁剪和拼裝技術(shù)完成車身某一部位的制造，例如前擋風玻璃框架、車門內(nèi)板、車身底板、中立柱等。激光拼焊具有減少零件和模具數(shù)量、減少點焊數(shù)目、優(yōu)化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好處，目前已經(jīng)被許多大汽車制造商和配件供應(yīng)商所采用。激光焊接主要用于車身框架結(jié)構(gòu)的焊接，例如頂蓋與側(cè)面車身的焊接，傳統(tǒng)焊接方法的電阻點焊已經(jīng)逐漸被激光焊接所代替。用激光焊接技術(shù)，工件連接之間的接合面寬度可以減少，既降低了板材使用量，也提高了車體的剛度。激光焊接零部件，零件焊接部位幾乎沒有變形，焊接速度快，而且不需要焊后熱處理，目前激光焊接零部件已經(jīng)廣泛采用，常見于變速器齒輪、氣門挺桿、車門鉸鏈等。

3.3 激光淬火

當激光的功率密度約為103～105 W/cm2時，便可實現(xiàn)對鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進行激光表面淬火。淬火層深度一般為0.7～1.1 mm，淬火層硬度比常規(guī)淬火約高20%。激光淬火變形小，還能解決低碳鋼的表面淬火強化問題。由于激光淬火過程中很大的過熱度和過冷度使得淬硬層的晶粒極細、位錯密度極高且在表層形成壓應(yīng)力，進而可以大大提高工件的耐磨性、抗疲勞、耐腐蝕、抗氧化等性能，延長工件的使用壽命。

激光淬火技術(shù)的應(yīng)用涉及交通運輸、紡織機械、重型機械、精密儀器的制造等。處理的零件種類包括汽車、摩托車和輪船等的發(fā)動機氣缸體(套)內(nèi)壁、曲軸、凸輪軸、轉(zhuǎn)向器殼體、齒輪、機床導(dǎo)軌、油管螺紋、刀具刃口等。在諸多的應(yīng)用中，尤以在汽車制造業(yè)內(nèi)的應(yīng)用最為活躍，創(chuàng)造的經(jīng)濟價值最大。在許多汽車關(guān)鍵件上，如缸體、缸套、曲軸、凸輪軸、排氣閥、閥座、搖臂、鋁活塞環(huán)槽等幾乎都可以采用激光熱處理。

美國通用汽車公司采用激光淬火技術(shù)處理汽車轉(zhuǎn)向器殼體內(nèi)腔(可鍛鑄鐵)，耐磨性較原工藝提高近10倍。意大利菲亞特公司采用HPL-1O型激光器處理發(fā)動機氣缸孔內(nèi)壁，取消了缸套，降低了油耗，節(jié)省了成本;德國奧格斯堡一紐倫堡機械制造有限公司1984年就建立激光淬火生產(chǎn)線，對大型發(fā)動機缸套進行激光淬火，淬火帶的布局有交叉網(wǎng)紋式、螺旋線式和正弦波式，大大提高缸套耐磨性;除此以外日本豐田公司、美國的福特公司等，也相繼將激光表面強化技術(shù)應(yīng)用到汽車制造業(yè)中。激光相變硬化過程中，急熱急冷的過程使所形成的馬氏體細化，位錯密度高，處理后的材料硬度、耐磨性、抗疲勞等機械性能提高。

3.4激光熔覆

激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔敷，是材料表面改性技術(shù)的一種重要方法，它是利用高能激光束(104～106W/cm2)在金屬表面輻照，通過迅速熔化、擴展和迅速凝固，冷卻速度通常達到102～106 ℃/s，在基材表面熔覆一層具有特殊物理、化學或力學性能的材料，從而構(gòu)成一種新的復(fù)合材料，以彌補機體所缺少的高性能，這種復(fù)合材料能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，彌補相互間的不足。激光熔覆根據(jù)工件的工況要求，熔覆各種設(shè)計成分的金屬或者非金屬，制備耐熱、耐蝕、耐磨、抗氧化、抗疲勞或具有光、電、磁特性的表面覆層。

激光熔覆技術(shù)在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、石油行業(yè)和機械動力行業(yè)也應(yīng)用廣泛。最先采用激光熔覆技術(shù)的汽車零件的是發(fā)動機的排氣門的密封錐形面熔覆Stellite合金。激光熔覆Stellite合金涂層的耐磨性能比基底材料提高5倍。

航空航天工業(yè)是最先吸取激光熔覆的優(yōu)點用于生產(chǎn)的部門，因為它不僅能用于加工零部件，而且能用于修理零部件,采用激光熔覆修復(fù)被磨損的航空發(fā)動機H型渦輪機葉片可以獲得光滑平整的表面，而且生產(chǎn)效率高。國外在葉片和閥座修復(fù)等方面開展了激光熔覆的應(yīng)用研究。如利用激光熔覆工藝代替等離子噴涂和真空感應(yīng)熔焊工藝，在內(nèi)燃發(fā)動機排氣閥密封面熔覆合金涂層，不僅避免了涂層中的孔洞和微裂紋，而且涂層的顯微硬度明顯提高，排氣閥密封面耐磨和耐蝕性能提高3～4倍。

3.5 激光合金化

激光合金化(Laser Surface Alloying，LSA)是金屬材料表面局部改性處理的一種新方法，激光合金化工藝屬于材料表面改性處理的范疇。它是指在高能量激光束的照射下，使基體材料表面的一薄層與根據(jù)需要加入的合金元素同時快速熔化、混合，形成厚度為10～l000μm的表面熔化層，使材料表面在很短時間內(nèi)形成具有要求深度和化學成分的表面合金化層，這種合金化層由于具有高于基材的某些性能，所以就達到了表面改性處理的目的。

激光表面合金化工藝的最大特點，是只在熔化區(qū)和很小的影響區(qū)內(nèi)發(fā)生了成分、組織和性能的變化，對基體的熱效應(yīng)可減少到最低限度，引起的變形也極小。它既可滿足表面的使用需要，同時又不犧牲結(jié)構(gòu)的整體特性。由于合金元素是完全溶解于表層內(nèi)，因此所獲得的薄層成分是很均勻的，對開裂和剝落等傾向也不敏感。利用激光合金化技術(shù)可使廉價的普通材料表面獲得有益的耐磨、耐腐蝕、耐熱等性能，從而可以取代昂貴的整體合金;并可改善不銹鋼，鋁合金和鈦合金的耐磨性能;亦可制各傳統(tǒng)冶金方法無法得到的某些特殊材料，如超導(dǎo)合金，表面金屬玻璃等。

在汽車工業(yè)方面，激光表面合金化工藝有廣泛的應(yīng)用前景，它可以明顯改善工件表面的耐磨、耐蝕、耐高溫等性能，延長在各種惡劣工作條件下工作的汽車零部件如軸承、軸承保持架、汽缸、襯套、活塞環(huán)、凸輪、心軸、閥門和傳動構(gòu)件等的使用壽命，從而提高汽車整體的使用性能。

3.6激光無模成形

傳統(tǒng)的金屬板料加工方法主要用模具在壓力機上進行冷沖壓成形，其生產(chǎn)效率高，適用于大批量生產(chǎn)。隨著市場競爭的日趨激烈，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度日益迅速，原有的采用模具加工的技術(shù)就表現(xiàn)出生產(chǎn)準備時間長，加工柔性差，模具費用大，制造成本高等不足，且模具冷沖壓成形僅適用于低碳鋼、鋁合金以及銅等材料。為此國內(nèi)外許多學者致力于板料塑性成形新技術(shù)的研究，實現(xiàn)金屬板料的快速高效、柔性沖壓和無模成形，以適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)產(chǎn)品快速更新的市場競爭需要。激光技術(shù)在板料成形領(lǐng)域的應(yīng)用可分成兩大類：一類是利用激光與材料相互作用所產(chǎn)生的熱效應(yīng)使板料成形，稱之為激光的熱應(yīng)力(彎曲)成形;另一類是利用高能激光和材料相互作用產(chǎn)生的沖擊波的力效應(yīng)來使板料產(chǎn)生塑性變形，稱之為激光沖擊成形。德國將激光成形用于汽車制造業(yè)，進行了汽車覆蓋件的柔性校正和其他異形件的成形，對彎曲成形過程進行計算機閉環(huán)控制，彎曲角精度可達到±0.2°。

3.7激光打標

激光打標是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬時變成熱能，使工件表面迅速產(chǎn)生蒸發(fā)，從而在工件表面刻出任意所需要的文字和圖形，以作為永久防偽標志。

4 結(jié)語

我國汽車生產(chǎn)設(shè)備與工藝與國外相比還存在較大差距，大力開展激光加工基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究，對于提升我國汽車工業(yè)制造水平和國際競爭力，發(fā)展民族工業(yè)具有重要的意義。

（文章來源：機床工具制造業(yè)）