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在汽車零部件制造中的應用。

　　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，同時產生方向性很強的沖擊。因此，激光加工是工件在光熱效應下產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：

　　(1) 幾乎對所有的金屬和非金屬材料都可以進行激光加工。

　　(2) 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。

　　(3) 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。

　　(4) 加工時不需用刀具，屬于非接觸加工，無機械加工變形。

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

　　3 激光加工技術在汽車零部件制造中的應用

　　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、切割質量好，熱影響區小，加工柔性大等優點在現代工業中得到了極為廣泛的應用，激光切割技術也成為激光加工技術中最為成熟的技術之一。

　　從工業應用領域來看，金屬和非金屬的激光切割是激光加工最主要的應用領域，最具代表性的應用是在汽車工業中，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向器殼體的激光淬火等，都有大量的應用。據估計，約有60%的汽車零部件可以通過激光加工來提高質量。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，節省材料15%～30%，可以大幅度降低生產成本，且加工精度高，產品質量可靠。美國、歐洲和日本等工業發達國家的激光加工已經形成了一個新興的高技術產業，工業激光器和激光加工機的銷售逐年遞增，應用領域規模不斷擴大。由于激光切割發展迅猛，在全球已生產、銷售用于激光加工領域的工業激光器中有超過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、日產等汽車公司，在汽車生產線上普遍采用激光切割技術。它不必采用各種規格的金屬模具，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、車身兩側裝飾線等。三維激光切割技術在20世紀80年代就開始在汽車車身制造中應用，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技術相結合，切割過程易于控制，可實現連續生產和并行加工，從而實現高效率的切割生產。相對于CO2激光器，YAG的激光可通過光導纖維輸送，比較靈活方便，適用于機器人手執激光“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，充分體現出采用激光切割加工的優點。

　　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域“熱熔”在一起即可。激光焊接速度快，熱影響區小，焊接質量高，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。激光焊接技術已在航空航天、武器制造、船舶工業、汽車制造、壓力容器制造、民用及醫用等多個領域得到廣泛應用。在航空工業以及其他許多應用中，激光焊接能夠實現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越性，尤其是激光焊接能夠連接航空與汽車工業中比較難焊的薄板合金材料，如鋁合金等，并且構件的變形小，接頭質量高，重現性好。在汽車工業中，傳統焊接有電阻焊、CO2電弧焊、手工焊等焊接工藝。但傳統的焊接方法存在焊接后變形量大、焊縫質量較差、容易產生氣孔、熱影響區大等焊接缺陷，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，隨著激光技術的不斷發展，由最初的紅寶石激光器到大功率CO2激光出現，使汽車工業在內的加工行業得到迅速發展，出現了激光焊接工藝。激光焊接不僅能很好焊接各類金屬，而且能焊接非金屬、半導體、陶瓷等，并具有焊后熱變形量小、焊縫質量好等特點。

　　汽車工業中，激光技術主要用于車身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在車身設計制造中，根據車身不同的設計和性能要求，選擇不同規格的鋼板，通過激光裁剪和拼裝技術完成車身某一部位的制造，例如前擋風玻璃框架、車門內板、車身底板、中立柱等。激光拼焊具有減少零件和模具數量、減少點焊數目、優化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好處，目前已經被許多大汽車制造商和配件供應商所采用。激光焊接主要用于車身框架結構的焊接，例如頂蓋與側面車身的焊接，傳統焊接方法的電阻點焊已經逐漸被激光焊接所代替。用激光焊接技術，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。

　　激光淬火技術的應用涉及交通運輸、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動機氣缸體(套)內壁、曲軸、凸輪軸、轉向器殼體、齒輪、機床導軌、油管螺紋、刀具刃口等。在諸多的應用中，尤以在汽車制造業內的應用最為活躍，創造的經濟價值最大。在許多汽車關鍵件上，如缸體、缸套、曲軸、凸輪軸、排氣閥、閥座、搖臂、鋁活塞環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處理汽車轉向器殼體內腔(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型激光器處理發動機氣缸孔內壁，取消了缸套，降低了油耗，節省了成本;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線，對大型發動機缸套進行激光淬火，淬火帶的布局有交叉網紋式、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應用到汽車制造業中。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，從而構成一種新的復合材料，以彌補機體所缺少的高性能，這種復合材料能充分發揮兩者的優勢，彌補相互間的不足。激光熔覆根據工件的工況要求，熔覆各種設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。

　　激光熔覆技術在汽車工業中應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、石油行業和機械動力行業也應用廣泛。最先采用激光熔覆技術的汽車零件的是發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。

　　航空航天工業是最先吸取激光熔覆的優點用于生產的部門，因為它不僅能用于加工零部件，而且能用于修理零部件,采用激光熔覆修復被磨損的航空發動機H型渦輪機葉片可以獲得光滑平整的表面，而且生產效率高。國外在葉片和閥座修復等方面開展了激光熔覆的應用研究。如利用激光熔覆工藝代替等離子噴涂和真空感應熔焊工藝，在內燃發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，是只在熔化區和很小的影響區內發生了成分、組織和性能的變化，對基體的熱效應可減少到最低限度，引起的變形也極小。它既可滿足表面的使用需要，同時又不犧牲結構的整體特性。由于合金元素是完全溶解于表層內，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;亦可制各傳統冶金方法無法得到的某些特殊材料，如超導合金，表面金屬玻璃等。

　　在汽車工業方面，激光表面合金化工藝有廣泛的應用前景，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、凸輪、心軸、閥門和傳動構件等的使用壽命，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，其生產效率高，適用于大批量生產。隨著市場競爭的日趨激烈，產品的更新換代速度日益迅速，原有的采用模具加工的技術就表現出生產準備時間長，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。為此國內外許多學者致力于板料塑性成形新技術的研究，實現金屬板料的快速高效、柔性沖壓和無模成形，以適應現代制造業產品快速更新的市場競爭需要。激光技術在板料成形領域的應用可分成兩大類：一類是利用激光與材料相互作用所產生的熱效應使板料成形，稱之為激光的熱應力(彎曲)成形;另一類是利用高能激光和材料相互作用產生的沖擊波的力效應來使板料產生塑性變形，稱之為激光沖擊成形。德國將激光成形用于汽車制造業，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，使工件表面迅速產生蒸發，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 結語

　　我國汽車生產設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理論與關鍵技術的研究，對于提升我國汽車工業制造水平和國際競爭力，發展民族工業具有重要的意義。