隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的過渡，對農(nóng)機的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量的要求逐漸提高[1]。傳統(tǒng)加工技術(shù)生產(chǎn)效率低、工藝粗糙、精度較低。因此，研究新型加工技術(shù)對于農(nóng)機更新?lián)Q代、突破國外龍頭企業(yè)的技術(shù)壁壘來說就顯得尤為重要。激光加工技術(shù)是集光學(xué)、材料科學(xué)、熱力學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)和機電控制科學(xué)為一體的系統(tǒng)科學(xué)與集成技術(shù)，是一門應(yīng)用廣泛的綜合技術(shù)[3]。目前開發(fā)出的激光材料處理與加工技術(shù)已多達20多種，一些處理方法比較成熟，如激光焊接、激光熔覆、激光切割等，在許多行業(yè)都已得到廣泛的應(yīng)用。激光加工技術(shù)采用無接觸式加工，可減少因接觸而產(chǎn)生的形變，生產(chǎn)出精度高、耐用的零部件，從而提升零部件的使用壽命，減少生產(chǎn)成本。將激光加工技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)機制造領(lǐng)域中，可用較短的時間生產(chǎn)出復(fù)雜農(nóng)機部件，提高生產(chǎn)效率，同時生產(chǎn)的農(nóng)機性能和精度都將更加優(yōu)異。由于農(nóng)機行業(yè)的滯后性，目前激光加工技術(shù)在我國農(nóng)機生產(chǎn)領(lǐng)域中還沒有得到有效的推廣和應(yīng)用，因此有必要推廣激光加工技術(shù)在農(nóng)機制造領(lǐng)域中應(yīng)用，以提高農(nóng)機的品質(zhì)，促進我國農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。本文詳細分析了激光加工技術(shù)在農(nóng)機制造行業(yè)中的發(fā)展應(yīng)用進展,并對其未來的發(fā)展提出可行性建議。

　　1 、激光加工技術(shù)在農(nóng)機制造中的應(yīng)用

　　激光加工技術(shù)是從20世紀60年代興起的一種技術(shù)，通過發(fā)射高能量密度光束輻照被加工零件的表面，實現(xiàn)對零件的加工處理。激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工兩類。激光熱加工通過激光束與材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)完成加工，包括激光焊接、激光切割和激光熔覆等;光化學(xué)反應(yīng)加工是指借助激光在被加工物體表面引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過程[4]。

　　目前，激光加工技術(shù)在農(nóng)機領(lǐng)域中應(yīng)用較少，農(nóng)機制造無論是加工手段還是處理方法都較為落后[5]。為提高農(nóng)機現(xiàn)代化水平，應(yīng)大力推廣激光加工技術(shù)在農(nóng)機制造中的應(yīng)用，以此來改善農(nóng)機制造行業(yè)水平差、創(chuàng)新少的現(xiàn)狀，快速提高農(nóng)業(yè)機械的制造水平。

　　1.1 、激光切割在農(nóng)機制造中的應(yīng)用

　　激光切割是利用激光束掃描被加工材料表面，在短時間內(nèi)將溫度升高達到幾千至上萬攝氏度，使材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，同時利用高速氣流吹除熔融物質(zhì)，將工件割開，從而完成切割[6]。激光切割采用無接觸式加工，激光光斑小，能量密度高，切割速度快，可以獲得較高的切割質(zhì)量和切割效率，對于切割某些特定的農(nóng)機材料，如塑料、陶瓷等，可以達到傳統(tǒng)切割無法達到的精度。相比于傳統(tǒng)切割技術(shù)，激光切割可加工的材料種類較多，是目前激光加工領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的加工方法之一，占據(jù)激光加工行業(yè)約30%的份額。

　　激光切割可以切割較厚的農(nóng)機材料，而且切割精度明顯高于傳統(tǒng)切割。一些磨損較大的淺松鏟、挖掘鍬等機具，為了保證其產(chǎn)品質(zhì)量與使用壽命，一般都選用厚度在15mm左右的金屬板作為原材料進行加工，對于這些較厚的金屬板，傳統(tǒng)切割技術(shù)無法達到切削精度的要求，隨著切割厚度的增加，切割速度將明顯下降，切邊條紋和掛渣現(xiàn)象愈發(fā)明顯。為提高農(nóng)機生產(chǎn)質(zhì)量，廣東工業(yè)大學(xué)謝小柱等人提出激光技術(shù)切割厚金屬板，并對切割工藝提出了提高激光器功率、提高輔助氣流壓力、維持保護氣的純度等一些建議，實驗表明，激光切割的厚金屬板切削質(zhì)量明顯得到改善[7]。刀片是農(nóng)機中極易受損的部位，以除草機刀片為例，除草機刀片在工作時經(jīng)常受碎石沙土的摩擦和植物汁水的腐蝕，導(dǎo)致刀片提前失效。為解決這個問題，陳繼鋒、陳工作發(fā)明出一種刀片加工裝置[8]。裝置用激光快速切割代替?zhèn)鹘y(tǒng)切割技術(shù)，加工生產(chǎn)出的刀片無論是精度還是使用壽命都得到提升。硅鋼片是農(nóng)用泵電機的導(dǎo)磁材料，為減少磁滯損耗，硅鋼片含硅量應(yīng)在4%以下，這一含量可促使材料脆化和硬度增加[9]。如果使用傳統(tǒng)切割加工硅鋼片會嚴重磨損刀具，導(dǎo)致工件產(chǎn)生毛刺甚至斷裂。1984年外國學(xué)者Klaus Diekmann提出利用CO2激光器切割硅鋼片，通過對工藝參數(shù)的控制與分析，在高氣壓和切削速度較快的條件下，可以生產(chǎn)出質(zhì)量較高的硅鋼片，但缺點是對切割條件要求較高，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。如在非理想條件下切割，硅鋼片中的硅元素會和氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成密度較低的SiO2和鐵硅氧化物，依附在材料表面，用高壓氣體難以吹走，材料表面的氧化物直接影響到產(chǎn)品的精度。2002年朱龍駒、洪蕾兩人針對激光切割硅鋼片的工藝進行了研究[10]。在原參數(shù)的基礎(chǔ)上使用高純N2作為輔助切割氣體，N2可以阻擋空氣中的氧氣與材料發(fā)生反應(yīng)，防止Si O2和鐵硅氧化物的生成，提升切割精度。2015年侯培紅研究不同技術(shù)參數(shù)對切割質(zhì)量的影響，不斷進行切割試驗，最終得出一組有效切割硅鋼片的工藝參數(shù)，切割速度8.2m/min、功率2kW、頻率2kHz、脈沖寬度0.5ms。使用有效工藝參數(shù)生產(chǎn)出的硅鋼片，切割質(zhì)量完全符合產(chǎn)品的質(zhì)量要求[11]。

　　陶瓷硬度高、耐腐蝕性強，是農(nóng)機刀具的常用材料。但陶瓷脆性大，傳統(tǒng)切割方法會使陶瓷受到較大的沖擊力導(dǎo)致瞬間斷裂。洪蕾等人利用激光切割Si3N4工程陶瓷，通過建立數(shù)學(xué)模型與多次實驗數(shù)據(jù)的分析，證明了激光切割陶瓷的可行性，并且控制微裂紋尺寸在晶粒尺寸以下，獲得無裂紋的切口[12]。季凌飛等人研究Al2O3工程陶瓷的激光切割方法，以10mm厚的陶瓷為研究對象，采用CO2激光器切割，對切割過程進行分析，工藝參數(shù)進行優(yōu)化[13]。通過多次實驗，得出切割10mm以上Al2O3工程陶瓷的最佳工藝參數(shù)，脈沖峰值功率2.7～3.5 kW，脈沖頻率50 Hz，脈沖占空比30%～50%，通孔時間0.1～0.5s，研究指出，在最佳工藝參數(shù)內(nèi)切割陶瓷，可以實現(xiàn)無損切割。

　　農(nóng)機行業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)品更新速度快，對加工技術(shù)要求較高，激光切割技術(shù)切割質(zhì)量好，切割效率高，可縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，對于復(fù)雜零件的加工，優(yōu)勢更為明顯[14]。激光切割技術(shù)在農(nóng)機的制造生產(chǎn)中逐漸成為不可缺少的加工工藝，成為提升現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)制造品質(zhì)的新起點，改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)加工的技術(shù)支撐，激光切割技術(shù)的廣泛應(yīng)用正推動農(nóng)機行業(yè)的快速發(fā)展。

　　1.2 、激光焊接在農(nóng)機制造中的應(yīng)用

　　激光焊接過程中，將高強度激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接[15]。激光焊接具有速度快、熱影響區(qū)小、變形小、焊接牢固等優(yōu)點，激光束經(jīng)過焦距后可獲得很小的光斑，能夠做到定位精準。激光焊接可以提升焊縫的抗拉強度，延長使用壽命，提升農(nóng)機的加工質(zhì)量和使用性能[16]。

　　20世紀80年代，激光焊接作為新技術(shù)，在各個國家受到廣泛關(guān)注，各國學(xué)者紛紛投入研發(fā)中。1982年蘇聯(lián)拖拉機農(nóng)機工藝研究所提出，在農(nóng)機的制造中可利用激光焊接代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接[17]。其研究表明農(nóng)機加工中，最佳激光輻射密度為107W/cm2。為進一步證明該結(jié)論的可靠性，蘇聯(lián)拖拉機工藝研究所與工廠合作，利用功率為5kW的激光器對低碳鋼進行了焊接實驗，通過焊接兩塊厚度不同的鋼板，焊縫斷面呈小刀狀，焊接質(zhì)量良好。張青榮用激光焊接技術(shù)生產(chǎn)拖拉機前軸梁異型管[18]，激光焊接與傳統(tǒng)焊接的無縫異型管相比，利用激光焊接生產(chǎn)出的焊接異型管，無論是沖擊韌性還是疲勞強度都得到了顯著提升。另外旋耕滅茬刀片是農(nóng)機具上的一種關(guān)鍵部件，主要材料為65Mn彈簧鋼，工作時經(jīng)常與土壤接觸，加速自身失效。劉其斌、李賓用激光焊接技術(shù)來加工65Mn彈簧鋼，并做出實驗[19]。實驗采用5kW CO2激光器對65Mn彈簧鋼進行激光焊接處理，經(jīng)過激光焊接后的65Mn彈簧鋼，焊縫中心區(qū)組織為等軸晶，近中心區(qū)為枝狀晶和胞狀晶的混合組織，邊緣區(qū)為少量的胞狀晶，相比于傳統(tǒng)焊接焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力和焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)明顯減少，通過激光焊接制造的旋耕滅茬刀片性能明顯得到提升。

　　激光焊接不僅可以焊接金屬，也可以用于非金屬的焊接。工程塑料質(zhì)量輕、成本低，常被應(yīng)用在拖拉機的輪轂封蓋、油管接頭、噴油泵檢查口蓋、濾清器蓋等農(nóng)機部件中。尤其像工程塑料熔點低，傳統(tǒng)的加工方法容易導(dǎo)致非加工區(qū)域產(chǎn)生變形，激光技術(shù)的誕生解決了這一問題。焦俊科等人對激光焊接工程塑料進行了有限元分析，利用數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬證明了焊接的可行性[20]。王衛(wèi)華等人將東方紅輪式拖拉機的油管接頭和柴油機上的噴油泵檢查口蓋進行激光焊接處理，經(jīng)測試，焊接后焊縫處的耐溫性、密封性、抗沖擊性均已達到使用標準[21]。

　　激光焊接可以提高農(nóng)機的使用壽命與可靠性，一些需要與地表直接接觸的農(nóng)業(yè)機械如播種機、聯(lián)合收割機、旋耕機等，需要極強的抗震抗阻能力，使用激光焊接生產(chǎn)加工可以提高焊接接頭的加工質(zhì)量。隨著科技的發(fā)展，激光焊接在農(nóng)機制造中已經(jīng)舉足輕重。

　　1.3 、激光熔覆技術(shù)在農(nóng)機制造中的應(yīng)用

　　農(nóng)機的摩擦、磨損、腐蝕等失效形式大多發(fā)生在表面，因此材料整體在滿足足夠的韌性與強度的同時，對表面也要求擁有特定的使用性能，如耐腐蝕、耐磨損等[22]。傳統(tǒng)強化方法如電弧噴涂、等離子堆焊、噴丸強化等，雖然能提升材料的性能，但相比于激光熔覆技術(shù)無法保證熔覆層的結(jié)合強度，而且在處理時容易對材料造成損害。激光熔覆是通過高能量密度的激光束，使基材表面薄層和熔覆材料熔凝，在基材表面形成熔覆層。尤其在農(nóng)機制造中為了節(jié)約生產(chǎn)成本，會使用價格較低的材料，材料價格低性能普遍較差，利用激光在材料表面熔覆一層高性能的合金可提升農(nóng)機的性能與可靠性，延長使用壽命。

　　拖拉機曲軸工作環(huán)境惡劣，長期高速旋轉(zhuǎn)，部件失效難以避免。張廣等人提出在制造曲軸時可以使用激光熔覆技術(shù)進行強化，提升使用壽命[23]。實驗選用45#鋼為基體材料，熔覆粉末選用鐵基自熔性合金粉末，使用YAG脈沖固體激光器進行熔覆。實驗表明：熔覆區(qū)相比于基體材料顯微硬度提升2.6倍。王東生、田宗軍兩人通過激光熔覆技術(shù)提升齒輪的性能，熔覆材料為Ni Cr BSi粉末和高硬度WC-Co混合粉末，質(zhì)量比為85︰15，基體材料選用農(nóng)機齒輪常用的42CrMo合金鋼，通過激光熔覆技術(shù)，齒輪表面硬度由270HV1提升到810HV1，磨損質(zhì)量損失由1.9mg降低到0.3mg，齒輪的硬度與耐磨性均得到提升[24]。田永財?shù)热死�用激光熔覆技術(shù)提升旋耕刀的性能，通過熔覆自熔性鐵基合金粉末，將表面的硬度由280HV1提升到820HV1，經(jīng)激光熔覆處理后旋耕刀耐磨性能明顯提升[25]。深松鏟是農(nóng)機耕作的主要部件，在工作時會受到較大的沖擊力與磨損，從而導(dǎo)致使用壽命降低，閆勇提出可以在鏟尖處熔覆一層鎳基合金，經(jīng)過多次田間實驗的數(shù)據(jù)結(jié)果表明：通過激光熔覆處理后的鏟尖的耐磨性得到了很好的提升[26]。

　　1.4 、激光快速成型在農(nóng)機制造中的應(yīng)用

　　激光快速成型技術(shù)采用計算機繪制零件圖形，通過金屬粉末堆積逐層打印。具有可采用多種材料、制造工藝簡單、精度高、材料利用率高、制造周期短的優(yōu)點。梁博宇等人利用激光快速成型技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)了板栗脫蓬一體機，研發(fā)過程中利用快速成型技術(shù)可即時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，將思想快速轉(zhuǎn)換成功能性的器械，縮短制作流程，提高研發(fā)效率[27]。激光快速成型技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，正逐步走向成熟，在提高零件成型精度、減少制造時間、降低制造成本等方面取得了顯著進展。但是由于價格昂貴，在農(nóng)機制造領(lǐng)域中應(yīng)用少。相信，隨著科技的進步，國家的扶持，激光快速成型技術(shù)定會在農(nóng)機制造領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

　　2、 展望

　　近年來，隨著農(nóng)業(yè)機械制造技術(shù)的不斷提升，激光加工技術(shù)的研究在不斷取得突破，為激光加工技術(shù)在農(nóng)機制造中的推廣提供了動力與條件。激光切割的工藝得到優(yōu)化，可以良好的切割各種材質(zhì)的零件，且不會影響農(nóng)機零件的使用性能;激光焊接的加工質(zhì)量得到了提升，焊縫不僅牢固、可靠，而且各項性能更加優(yōu)異;激光熔覆技術(shù)則開發(fā)出多種合金用于提高農(nóng)機表面的性能，如耐磨、耐腐蝕、耐高溫等。雖然激光加工技術(shù)日漸成熟，但仍然面臨一些挑戰(zhàn)，為了加速在農(nóng)機中的推廣，后續(xù)研究方向可在以下幾點展開。1)深入研究激光加工技術(shù)的基礎(chǔ)理論，完全了解這項工藝，以發(fā)揮出激光加工技術(shù)的優(yōu)勢。2)研發(fā)適用于農(nóng)機表面性能強化的合金粉末，在粉末中添加新元素進行熔覆，通過提高耐磨性、耐腐蝕性、疲勞強度等表面性能，改善農(nóng)機使用性能。3)優(yōu)化脈沖寬度、切割速度、功率等工藝參數(shù)，提升加工零件的使用性能。

　　3 、結(jié)語

　　現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展離不開農(nóng)業(yè)機械的更新?lián)Q代，激光加工技術(shù)在農(nóng)機制造中的推廣應(yīng)用，將極大地改善農(nóng)機的制造質(zhì)量，促進我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)與水平的發(fā)展。

　　參考文獻

　　[1] 陳建國.激光加工技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械制造中的發(fā)展和應(yīng)用[J].時代農(nóng)機，2017,44(11):15+31.

　　[2] 黃永俊.激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械制造中的應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究，2008(6):242-244.

　　[3] 姚振強，Yao Y Lawrence，王飛，等.先進激光制造技術(shù)研究新進展[J].機械工程學(xué)報，2003(12):57-61.

　　《農(nóng)機制造中激光加工技術(shù)的運用》來源：《南方農(nóng)機》，作者：巴一,戰(zhàn)金明,師文慶