农业工程论文：激光加工技术在农机制造中的应用

摘    要：　随着我国农机行业的发展，传统加工技术已无法完全满足农机制造的需求，激光加工技术作为新型制造技术，有着加工灵活、对加工材料影响小、可加工的材料种类多等众多优点，恰好满足农机制造自动化、机械化、智能化的需求。本文分析了激光加工技术在农机中的应用现状，阐述了有关常见的激光加工技术，如激光切割、激光焊接、激光熔覆等在农业机械制造中的研究进展，并对其未来研究方向提出可行性建议。

　　关键词：　农机制造; 激光加工; 激光切割; 激光焊接; 激光熔覆;

　　Abstract：　Along with the development of the agricultural machinery industry in our country, traditional processing technology have been unable to fully meet the demand of the agricultural machinery manufacturing, laser processing technology as a new manufacturing technology,has a flexible processing, little influence on the processing materials, machinable variety of materials, and many other advantages, to meet the needs of agricultural machinery manufacturing automation, mechanization and intelligent.This paper will analyze the application status of laser processing technology in agricultural machinery, and elaborate several common laser processing technology, such as laser cutting, laser welding, laser cladding and other research progress in agricultural machinery manufacturing, and put forward feasible suggestions for future research direction.

　　Keyword：　agricultural machinery manufacturing; laser processing; laser cutting; laser welding; laser cladding;

　　0 、引言

　　随着农业现代化发展，传统农业正向现代化农业的过渡，对农机的工作效率和产品质量的要求逐渐提高[1]。传统加工技术生产效率低、工艺粗糙、精度较低。因此，研究新型加工技术对于农机更新换代、突破国外龙头企业的技术壁垒来说就显得尤为重要。激光加工技术是集光学、材料科学、热力学、化学、电子学和机电控制科学为一体的系统科学与集成技术，是一门应用广泛的综合技术[3]。目前开发出的激光材料处理与加工技术已多达20多种，一些处理方法比较成熟，如激光焊接、激光熔覆、激光切割等，在许多行业都已得到广泛的应用。激光加工技术采用无接触式加工，可减少因接触而产生的形变，生产出精度高、耐用的零部件，从而提升零部件的使用寿命，减少生产成本。将激光加工技术应用在农机制造领域中，可用较短的时间生产出复杂农机部件，提高生产效率，同时生产的农机性能和精度都将更加优异。由于农机行业的滞后性，目前激光加工技术在我国农机生产领域中还没有得到有效的推广和应用，因此有必要推广激光加工技术在农机制造领域中应用，以提高农机的品质，促进我国农业的现代化发展。本文详细分析了激光加工技术在农机制造行业中的发展应用进展,并对其未来的发展提出可行性建议。

　　1 、激光加工技术在农机制造中的应用

　　激光加工技术是从20世纪60年代兴起的一种技术，通过发射高能量密度光束辐照被加工零件的表面，实现对零件的加工处理。激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工通过激光束与材料表面产生的热效应完成加工，包括激光焊接、激光切割和激光熔覆等；光化学反应加工是指借助激光在被加工物体表面引发或控制光化学反应的加工过程[4]。

　　目前，激光加工技术在农机领域中应用较少，农机制造无论是加工手段还是处理方法都较为落后[5]。为提高农机现代化水平，应大力推广激光加工技术在农机制造中的应用，以此来改善农机制造行业水平差、创新少的现状，快速提高农业机械的制造水平。

　　1.1 、激光切割在农机制造中的应用

　　激光切割是利用激光束扫描被加工材料表面，在短时间内将温度升高达到几千至上万摄氏度，使材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时利用高速气流吹除熔融物质，将工件割开，从而完成切割[6]。激光切割采用无接触式加工，激光光斑小，能量密度高，切割速度快，可以获得较高的切割质量和切割效率，对于切割某些特定的农机材料，如塑料、陶瓷等，可以达到传统切割无法达到的精度。相比于传统切割技术，激光切割可加工的材料种类较多，是目前激光加工领域中应用最广泛的加工方法之一，占据激光加工行业约30%的份额。

　　激光切割可以切割较厚的农机材料，而且切割精度明显高于传统切割。一些磨损较大的浅松铲、挖掘锹等机具，为了保证其产品质量与使用寿命，一般都选用厚度在15mm左右的金属板作为原材料进行加工，对于这些较厚的金属板，传统切割技术无法达到切削精度的要求，随着切割厚度的增加，切割速度将明显下降，切边条纹和挂渣现象愈发明显。为提高农机生产质量，广东工业大学谢小柱等人提出激光技术切割厚金属板，并对切割工艺提出了提高激光器功率、提高辅助气流压力、维持保护气的纯度等一些建议，实验表明，激光切割的厚金属板切削质量明显得到改善[7]。刀片是农机中极易受损的部位，以除草机刀片为例，除草机刀片在工作时经常受碎石沙土的摩擦和植物汁水的腐蚀，导致刀片提前失效。为解决这个问题，陈继锋、陈工作发明出一种刀片加工装置[8]。装置用激光快速切割代替传统切割技术，加工生产出的刀片无论是精度还是使用寿命都得到提升。硅钢片是农用泵电机的导磁材料，为减少磁滞损耗，硅钢片含硅量应在4%以下，这一含量可促使材料脆化和硬度增加[9]。如果使用传统切割加工硅钢片会严重磨损刀具，导致工件产生毛刺甚至断裂。1984年外国学者Klaus Diekmann提出利用CO2激光器切割硅钢片，通过对工艺参数的控制与分析，在高气压和切削速度较快的条件下，可以生产出质量较高的硅钢片，但缺点是对切割条件要求较高，产品质量不稳定。如在非理想条件下切割，硅钢片中的硅元素会和氧气发生反应，生成密度较低的SiO2和铁硅氧化物，依附在材料表面，用高压气体难以吹走，材料表面的氧化物直接影响到产品的精度。2002年朱龙驹、洪蕾两人针对激光切割硅钢片的工艺进行了研究[10]。在原参数的基础上使用高纯N2作为辅助切割气体，N2可以阻挡空气中的氧气与材料发生反应，防止Si O2和铁硅氧化物的生成，提升切割精度。2015年侯培红研究不同技术参数对切割质量的影响，不断进行切割试验，最终得出一组有效切割硅钢片的工艺参数，切割速度8.2m/min、功率2kW、频率2kHz、脉冲宽度0.5ms。使用有效工艺参数生产出的硅钢片，切割质量完全符合产品的质量要求[11]。

　　陶瓷硬度高、耐腐蚀性强，是农机刀具的常用材料。但陶瓷脆性大，传统切割方法会使陶瓷受到较大的冲击力导致瞬间断裂。洪蕾等人利用激光切割Si3N4工程陶瓷，通过建立数学模型与多次实验数据的分析，证明了激光切割陶瓷的可行性，并且控制微裂纹尺寸在晶粒尺寸以下，获得无裂纹的切口[12]。季凌飞等人研究Al2O3工程陶瓷的激光切割方法，以10mm厚的陶瓷为研究对象，采用CO2激光器切割，对切割过程进行分析，工艺参数进行优化[13]。通过多次实验，得出切割10mm以上Al2O3工程陶瓷的最佳工艺参数，脉冲峰值功率2.7～3.5 kW，脉冲频率50 Hz，脉冲占空比30%～50%，通孔时间0.1～0.5s，研究指出，在最佳工艺参数内切割陶瓷，可以实现无损切割。

　　农机行业发展迅速，产品更新速度快，对加工技术要求较高，激光切割技术切割质量好，切割效率高，可缩短产品的开发周期，提高产品生产效率，对于复杂零件的加工，优势更为明显[14]。激光切割技术在农机的制造生产中逐渐成为不可缺少的加工工艺，成为提升现代化农业制造品质的新起点，改造传统农业加工的技术支撑，激光切割技术的广泛应用正推动农机行业的快速发展。

　　1.2 、激光焊接在农机制造中的应用

　　激光焊接过程中，将高强度激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接[15]。激光焊接具有速度快、热影响区小、变形小、焊接牢固等优点，激光束经过焦距后可获得很小的光斑，能够做到定位精准。激光焊接可以提升焊缝的抗拉强度，延长使用寿命，提升农机的加工质量和使用性能[16]。

　　20世纪80年代，激光焊接作为新技术，在各个国家受到广泛关注，各国学者纷纷投入研发中。1982年苏联拖拉机农机工艺研究所提出，在农机的制造中可利用激光焊接代替传统焊接[17]。其研究表明农机加工中，最佳激光辐射密度为107W/cm2。为进一步证明该结论的可靠性，苏联拖拉机工艺研究所与工厂合作，利用功率为5kW的激光器对低碳钢进行了焊接实验，通过焊接两块厚度不同的钢板，焊缝断面呈小刀状，焊接质量良好。张青荣用激光焊接技术生产拖拉机前轴梁异型管[18]，激光焊接与传统焊接的无缝异型管相比，利用激光焊接生产出的焊接异型管，无论是冲击韧性还是疲劳强度都得到了显着提升。另外旋耕灭茬刀片是农机具上的一种关键部件，主要材料为65Mn弹簧钢，工作时经常与土壤接触，加速自身失效。刘其斌、李宾用激光焊接技术来加工65Mn弹簧钢，并做出实验[19]。实验采用5kW CO2激光器对65Mn弹簧钢进行激光焊接处理，经过激光焊接后的65Mn弹簧钢，焊缝中心区组织为等轴晶，近中心区为枝状晶和胞状晶的混合组织，边缘区为少量的胞状晶，相比于传统焊接焊缝区的残余应力和焊缝两侧的热影响区明显减少，通过激光焊接制造的旋耕灭茬刀片性能明显得到提升。

　　激光焊接不仅可以焊接金属，也可以用于非金属的焊接。工程塑料质量轻、成本低，常被应用在拖拉机的轮毂封盖、油管接头、喷油泵检查口盖、滤清器盖等农机部件中。尤其像工程塑料熔点低，传统的加工方法容易导致非加工区域产生变形，激光技术的诞生解决了这一问题。焦俊科等人对激光焊接工程塑料进行了有限元分析，利用数学模型与数值模拟证明了焊接的可行性[20]。王卫华等人将东方红轮式拖拉机的油管接头和柴油机上的喷油泵检查口盖进行激光焊接处理，经测试，焊接后焊缝处的耐温性、密封性、抗冲击性均已达到使用标准[21]。

　　激光焊接可以提高农机的使用寿命与可靠性，一些需要与地表直接接触的农业机械如播种机、联合收割机、旋耕机等，需要极强的抗震抗阻能力，使用激光焊接生产加工可以提高焊接接头的加工质量。随着科技的发展，激光焊接在农机制造中已经举足轻重。

　　1.3 、激光熔覆技术在农机制造中的应用

　　农机的摩擦、磨损、腐蚀等失效形式大多发生在表面，因此材料整体在满足足够的韧性与强度的同时，对表面也要求拥有特定的使用性能，如耐腐蚀、耐磨损等[22]。传统强化方法如电弧喷涂、等离子堆焊、喷丸强化等，虽然能提升材料的性能，但相比于激光熔覆技术无法保证熔覆层的结合强度，而且在处理时容易对材料造成损害。激光熔覆是通过高能量密度的激光束，使基材表面薄层和熔覆材料熔凝，在基材表面形成熔覆层。尤其在农机制造中为了节约生产成本，会使用价格较低的材料，材料价格低性能普遍较差，利用激光在材料表面熔覆一层高性能的合金可提升农机的性能与可靠性，延长使用寿命。

　　拖拉机曲轴工作环境恶劣，长期高速旋转，部件失效难以避免。张广等人提出在制造曲轴时可以使用激光熔覆技术进行强化，提升使用寿命[23]。实验选用45#钢为基体材料，熔覆粉末选用铁基自熔性合金粉末，使用YAG脉冲固体激光器进行熔覆。实验表明：熔覆区相比于基体材料显微硬度提升2.6倍。王东生、田宗军两人通过激光熔覆技术提升齿轮的性能，熔覆材料为Ni Cr BSi粉末和高硬度WC-Co混合粉末，质量比为85︰15，基体材料选用农机齿轮常用的42CrMo合金钢，通过激光熔覆技术，齿轮表面硬度由270HV1提升到810HV1，磨损质量损失由1.9mg降低到0.3mg，齿轮的硬度与耐磨性均得到提升[24]。田永财等人利用激光熔覆技术提升旋耕刀的性能，通过熔覆自熔性铁基合金粉末，将表面的硬度由280HV1提升到820HV1，经激光熔覆处理后旋耕刀耐磨性能明显提升[25]。深松铲是农机耕作的主要部件，在工作时会受到较大的冲击力与磨损，从而导致使用寿命降低，闫勇提出可以在铲尖处熔覆一层镍基合金，经过多次田间实验的数据结果表明：通过激光熔覆处理后的铲尖的耐磨性得到了很好的提升[26]。

　　1.4 、激光快速成型在农机制造中的应用

　　激光快速成型技术采用计算机绘制零件图形，通过金属粉末堆积逐层打印。具有可采用多种材料、制造工艺简单、精度高、材料利用率高、制造周期短的优点。梁博宇等人利用激光快速成型技术研发生产了板栗脱蓬一体机，研发过程中利用快速成型技术可即时发现问题、解决问题，将思想快速转换成功能性的器械，缩短制作流程，提高研发效率[27]。激光快速成型技术经过十几年的发展，正逐步走向成熟，在提高零件成型精度、减少制造时间、降低制造成本等方面取得了显着进展。但是由于价格昂贵，在农机制造领域中应用少。相信，随着科技的进步，国家的扶持，激光快速成型技术定会在农机制造领域中得到广泛的应用。

　　2、 展望

　　近年来，随着农业机械制造技术的不断提升，激光加工技术的研究在不断取得突破，为激光加工技术在农机制造中的推广提供了动力与条件。激光切割的工艺得到优化，可以良好的切割各种材质的零件，且不会影响农机零件的使用性能；激光焊接的加工质量得到了提升，焊缝不仅牢固、可靠，而且各项性能更加优异；激光熔覆技术则开发出多种合金用于提高农机表面的性能，如耐磨、耐腐蚀、耐高温等。虽然激光加工技术日渐成熟，但仍然面临一些挑战，为了加速在农机中的推广，后续研究方向可在以下几点展开。1）深入研究激光加工技术的基础理论，完全了解这项工艺，以发挥出激光加工技术的优势。2）研发适用于农机表面性能强化的合金粉末，在粉末中添加新元素进行熔覆，通过提高耐磨性、耐腐蚀性、疲劳强度等表面性能，改善农机使用性能。3）优化脉冲宽度、切割速度、功率等工艺参数，提升加工零件的使用性能。

　　3 、结语

　　现代农业发展离不开农业机械的更新换代，激光加工技术在农机制造中的推广应用，将极大地改善农机的制造质量，促进我国农业现代化生产技术与水平的发展。

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