激光加工在装备制造和维修中的研究与应用

激光切割是用高功率密度的激光直接聚集在切割零件的表面，产生足以使被切割材料熔化甚至汽化的温度，再辅以喷射气体吹化，从而达到分离材料的目的。与其它常规的加工方法相比，如水切割，氧-乙炔，激光切割所形成的割缝窄，质量（精度）高，能提高零件尺寸精度和材料利用率；割缝质量好，无挂渣、边缘垂直、表面光滑；激光切割因能量密度高，切割热影响区小；激光切割工件无机械变形，易于与自动化装备相结合，容易实现切割自动化，无刀具磨损，因此，效率高，速度快和柔性高。激光板材切割已经实用化，没有锯屑，可在任何方向切割任何图形，没有工具的磨损和噪声，在加工精度、成品率以及可变性等方面都优于传统的加工方法。
激光切割技术有三十多年的发展历史，根据2000年的统计数据[1]，全世界用于工业切割的激光加工系统有40000台（套），其中美国占了将近 30000套，德国和日本仅次于美国，各拥有激光切割系统近5000台。在欧洲一些造船厂，为了满足船体的模块化建造需要，纷纷建立了激光切割车间，图3 是丹麦Odense钢质造船厂（Odense Steel Shipyard）的激光切割车间[11]，在数控机床的引导下，其工作范围在1m×4m×16m。James Harris 和 Milan Brandt[12]用Nd：YAG激光器进行了16~50mm低碳钢板的切割试验研究，各种工艺条件下的切口情况如图4。可见，在合适的工艺参数条件下完全可以得到优质的割缝。
美国阿拉巴马州的Bender 船舶修造公司研究了用功率小于2KW 的CO2 激光器和（增压）氧气组合的“LASOX”切割新工艺[13]，成功地切割了50mm 厚的钢板；在切割38mm 厚的钢板研究试验表明，每切割一张钢板比火焰切割平均节省时间40min，大大降低了作业成本。该公司称一旦克服此技术现有的缺点，这种激光辅助切割技术将被用于潜水艇的建造，这将使新一代钢铁舰船的建造费用更加便宜。
3 激光熔覆和修复
激光表面合金化与熔覆是用能量密度高的激光照射材料表面，使激光束扫描的母材和添加的材料快速熔化快速凝固,在金属材料表面原位制造出高合金化,高性能的表面强化层的新技术。利用激光表面合金化与熔覆新技术可以有效提高金属材料的硬度、屈服强度、疲劳强度、疲劳裂纹扩展抗力和磨损疲劳寿命等性能；在机器、设备的易磨损或易腐蚀部位，采用激光在其表面熔覆具有耐磨、耐蚀、耐热等优异的综合性能的熔覆层，从而可以大大延长机器、设备的使用寿命；在保证原零件尺寸和材料性能的条件下，可以对磨损的零件表面进行修复，实现废物的再利用。 
激光表面合金化与熔覆技术的研究和发展已有近三十年的历史，是近年来发展最快,也是最成熟的现代先进的表面处理技术。与传统的表面处理技术，如堆焊﹑喷镀、热喷涂、喷焊等技术相比，激光表面处理技术具有以下优点：熔覆层与基体可以形成牢固的冶金结合，界面结合强度高；可以获得低稀释率的熔覆层；热影响区和热变形小使得工件变形小、自动化程度高；激光表面处理属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或形成常规处理无法得到的新相等。当然，它也存在不足，主要有两点：一个是熔覆层可能出现裂纹，尤其在熔覆层硬度高时；另一个是采用的大功率激光器购买和维护费用较高，增加了产品成本。但是，只要采用恰当的工艺措施是可以避免熔覆层产生裂纹；对于精密零部件、大型零件的修复，由于零件的本身的价值高，这样可以克服成本因素带来的不利影响，因此，激光表面合金化和熔覆被誉为“绿色再制造技术”。
国外目前已经将激光表面合金化与熔覆技术应用于实际生产中[14，15]，图5 是一个典型的传动轴，由于花键磨损不能继续使用而报废，但是经过激光熔覆修复就延长了被视为废物的寿命，激光修复后，整个修复部位也没有产生变形，也不需要任何热处理就可以直接使用；图6 是激光熔覆齿轮轴颈的装置。在澳大利亚就建立了激光熔覆技术中心，为激光熔覆技术的应用提供技术支持和工艺操作培训。
4 结束语
先进的激光加工技术在民用领域得到了广泛的应用，激光加工技术正朝着智能化、集成化方向发展，激光加工显示出低成本、高效率、高柔性的特点。将其引入到装备制造和维修将会丰富装备维修保障方法、手段，提高维修保障能力，并带来潜在的经济效益。