激光加工技术在机械制造中的应用研究

一、引言

科技的快速进步使得机械制造业需要不断改进产品质量、效率并降低成本。在此背景下，激光加工技术凭借其特性，如高能量束材料相互作用，已逐渐成为该领域的明星技术。这种技术可执行切割、焊接、钻孔等多种加工任务，与旧技术相较，具备高精度、快速、非接触及热影响小等优势，非常适合现代机械制造对精密度和表面质量的严格需求。故对激光加工技术在机械制造中的应用进行深入探索，对推动该行业技术革新和发展极为关键。

二、激光加工技术概述

2.1 激光加工技术的原理

激光加工技术的核心原理依托于激光的高能量密度特性。当这种高能量激光束照射于材料表面，材料会迅速吸收其能量，导致照射区域温度迅速上升，可能在极短时间内升至材料的熔点甚至沸点，进而引起材料熔化、气化或烧蚀。通过精确调节激光的能量、脉冲时长、频率以及光束聚焦点等参数，可以精确控制材料加工，包括切割、焊接、打孔等。例如，在激光切割中，材料因熔化或气化而被去除，辅助气体帮助清除切割区域的熔融或气化物质，形成切割口；而在激光焊接中，激光使接触面熔化并连接，冷却后形成坚固的焊缝。

2.2 激光加工技术的特点

2.2.1 高精度

激光束能够聚焦到极小的光斑尺寸，一般可达微米甚至亚微米级别。这使得激光加工能够实现非常高的加工精度，对于一些精密机械零件的加工，如微电子器件、航空航天零部件等，激光加工技术能够满足其对尺寸精度和表面质量的严格要求。例如，在制造微机电系统（MEMS）中的微小结构时，激光加工可以精确地控制加工尺寸，误差可控制在几微米以内。

2.2.2 高效率

激光加工过程中，激光束的能量高度集中，能够在瞬间使材料发生熔化、气化等反应，加工速度非常快。相比传统的机械加工方法，如切削、磨削等，激光加工可以大大缩短加工时间，提高生产效率。例如，在对金属板材进行切割时，激光切割的速度可比传统的机械切割方法快数倍甚至数十倍。

2.2.3 非接触加工

激光加工过程中，激光束与材料之间没有直接的机械接触，避免了传统机械加工中由于刀具与工件接触而产生的机械应力和磨损问题。这对于一些脆性材料、薄壁零件以及对表面质量要求极高的零件加工尤为重要，能够有效减少加工过程中对工件的损伤，保证工件的完整性和表面质量。例如，在加工玻璃、陶瓷等脆性材料时，非接触的激光加工可以避免材料因受力而破裂。

三、激光加工技术在机械制造中的应用

3.1 激光切割在机械制造中的应用

激光切割作为激光加工技术在机械制造中的主要应用之一，被广泛用于对板材、管材等原料的精确切割，以形成特定形状和尺寸的部件。这种切割方式以其精确度高、切口细、热影响区域小以及切割表面光滑等优势，符合机械制造对切割工艺的严格精度需求。相较于传统的切割方式，如剪切或锯切，激光切割展现了更强的灵活性和适用性，能够处理各种复杂形状的部件，无需定制特定模具，显著减少了产品研发和生产的时间及成本。在汽车制造领域，激光切割技术被广泛用于制造车身结构、发动机部件等，它能够精确制造车门、车架等复杂部件，确保了尺寸和表面的精确度，提

升了汽车的整体性能和安全性。

3.2 激光焊接在机械制造中的应用

激光焊接技术通过激光束作为加热工具，使焊接材料的接触部分快速熔化并连接，最终冷却形成坚固的焊接线。在机械制造领域，激光焊接以其快速焊接、高焊接强度、小的热影响和低变形等优势，被广泛用于各类机械部件的装配。相较于传统的焊接技术，如电弧焊或电阻焊，激光焊接能够提供更优的焊接接头质量，特别适合需要高焊接精度和质量的场合。在电子设备制造中，激光焊接常用于精密电子元件的焊接，如集成电路引脚和电路板的焊接。由于电子元件通常体积小、精度要求高，传统焊接可能引起热损伤，影响性能。而激光焊接的低热影响区允许精确控制焊接位置和能量，确保了元件焊接的质量和可靠性。

3.3 激光打孔在机械制造中的应用

激光打孔是通过高能量密度的激光束在材料表面快速加热，实现材料的熔化和气化，从而形成小孔的加工技术。在机械制造领域，许多部件需要加工各种小孔，比如发动机喷油嘴、航空叶片上的冷却孔、纺织机械的喷丝板等。激光打孔因其快速的打孔速度、高精度以及能加工细微孔径和深孔等特点，非常适合这些部件的特殊打孔需求。相比传统打孔技术，如机械钻孔或电火花打孔，激光打孔不依赖钻头，减少了工具损耗和更换，提升了生产效率。激光打孔还能处理多种材料，包括硬度高、易碎的材料，展现了其广泛的适用性。如在航空叶片制造中，需要精确加工直径0.1 至1mm 的冷却孔，这些孔具有大的深径比，传统打孔技术难以完成。激光打孔能精确控制孔的位置、尺寸和深度，有效完成叶片冷却孔的加工，确保航空发动机的性能和可靠性。在电子行业，激光打孔用于电路板微孔加工，能制造孔径小于 0.1mm 的微孔，满足电子产品小型化和高密度化的趋势。

结语

激光加工技术凭借其高精度、高效率、非接触、热影响区小以及加工材料范围广等诸多优势，在机械制造领域发挥着越来越重要的作用。从激光切割、焊接、打孔到表面处理等各个环节，激光加工技术都为机械制造行业带来了新的发展机遇，显著提升了机械制造的质量和效率，推动了机械制造行业的技术升级和产品创新。然而，激光加工技术在应用过程中也面临着设备成本高、工艺复杂、环保和安全等方面的挑战。为了更好地促进激光加工技术在机械制造中的应用和发展，需要进一步加强激光加工技术的研发创新，降低设备成本，优化加工工艺，提高操作人员的技术水平，同时加强环保和安全措施的研究与应用。相信随着科技的不断进步和创新，激光加工技术将在机械制造领域取得更加广泛和深入的应用，为机械制造行业的可持续发展提供强有力的技术支持。

参考文献

1. 刘克非, 周贤. 激光精微制造应用技术[M]. 成都: 中国纺织出版社,2023.2. 韩甜, 王爱华, 彭锦, 等. 无机电化学功能材料激光制备与性能研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(10): 2226-2231.3. 杨永强, 苏旭彬, 王迪, 等. 制造改变设计——金属零件选区激光熔化快速成型技术进展[C]//第五届全国快速成形与制造学术会议. 2011: 1-13.4. 王泽敏. NiTi 形状记忆合金的激光熔化成形及其相变行为研究[J].华中科技大学, 2021.5. 方冲. 现代机械制造工艺与精密加工技术[J]. 中国设备工程, 2022,(1): 88-95.