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激光切割与焊接的几种典型应用分析
2017-6-23
来源:未知
点击数:  961        作者:未知
  • 20世纪20年代爱因斯坦提出的光受激辐射的概念预见了激光的产生40年后的1960年美国科学家梅曼率先研制成功的第一台红宝石激光器标志着激光的正式诞生随后激光技术迅猛发展。(2)切割速度快例如采用2kW激光功率厚度8mm的碳钢切割速度为1.6m/min厚度2mm的不锈钢切割速度为3.5m/min热影响区小变形极小。 
      引言
      20世纪20年代爱因斯坦提出的光受激辐射的概念预见了激光的产生40年后的1960年美国科学家梅曼率先研制成功的第一台红宝石激光器标志着激光的正式诞生随后激光技术迅猛发展。继固体激光器后气体激光器、化学激光器、染料激光器、原子激光器、离子激光器、半导体激光器、X射线激光器和光纤激光器相继问世应用领域也扩展到诸如电子、轻工、包装、礼品、小五金工业、医疗器械、汽车、机械制造、钢铁、冶金、石油等为传统工业的技术改造和制造业的现代化提供先进的技术装备。
      激光与普通光相比有4个特性即:单色性(单一波长)、相干性、方向性和高光强。激光束易于传输其时间特性和空间特性可以分别控制经聚焦后可得到极小的光斑具有极高功率密度的激光光束可以熔化、气化任何材料也可对材料的局部区域进行精密快速加工。加工过程中输入工件的热量小热影响区和热变形小加工效率高易于实现自动化。激光技术是一门综合性高新技术涉及光学、机械学、电子学等学科。同样激光加工设备也涉及到众多学科因而决定了它的高科技性和高收益率。纵观国际和国内激光应用情况经过多年的研究开发和完善当代的激光器和激光加工技术与设备已相当成熟形成了系列激光加工工艺。
      本文介绍激光加工技术在金属切割、焊接方面的应用情况。
      1 激光切割的特点及应用
      激光切割是当前各国应用最多的激光加工技术在国外许多领域例如汽车制造业和机床制造业都采用激光切割进行钣金零部件的加工。随着大功率激光器光束质量的不断提高激光切割的加工对象范围将更加广泛几乎包括了所有的金属和非金属材料。例如可以利用激光对高硬度、高脆性、高熔点的材料进行形状复杂的三维立体零件切割这也正是激光切割的优势所在。
      现在选用激光切割系统的企业主要分两类:一类是大中型制造企业这些企业生产的产品中有大量板材需要下料、切料并且具有较强的经济和技术实力另一类统称为加工站专门对外承接激光加工业务自身没有主导产品。它的存在一方面可满足一些中小企业加工的需要另一方面在初期对推广应用激光切割技术带来宣传示范的作用。
      激光切割的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。激光光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激光切割的效率和品质。激光切割的精准度、效率和品质因不同的参数而改变如切割功率、速度、频率、材料厚度及材质等故操作人员的丰富经验尤其重要。
      1.1 激光切割的主要优点
      (1)切割品质好:切口宽度窄(一般为0.1~0.5mm)、精度高(一般孔中心距误差0.1~0.4mm轮廓尺寸误差0.1~0.5mm)、切口表面粗糙度好(一般Ra为12.5~25μm)切缝一般不需要二次加工即可焊接。
      (2)切割速度快例如采用2kW激光功率厚度8mm的碳钢切割速度为1.6m/min厚度2mm的不锈钢切割速度为3.5m/min热影响区小变形极小。
      (3)清洁、安全、无污染大大改善了操作人员的工作环境。
      激光切割属于非接触光学热加工被誉为“永不磨损的万能工具”。工件可以进行任意形式的紧密排料或套裁使原材料得到充分利用。由于是非接触加工加工后的零件的扭曲现象降至最低并减少了磨损量。
      其实激光切割亦有其不足之处就精度和切口表面粗度而言激光切割未能超过电加工就切割厚度而言难以达到火焰和等离子切割的水准。另外它亦不能像转塔冲床一样进行成型、攻牙及折边等。
      1.2 激光切割与冲床的比较
      以前钣金加工行业利用传统冲床进行冲压以后发展至数控转塔冲床及复合机床。随着社会进步激光切割技术亦被引入至金属加工行业目前已成为工业上板材切割的一种发展迅速、应用广泛的先进加工方法。据非正式统计我国在工业生产中使用的激光切割系统累计已超过500台约占全世界正在运行系统总量的2%。
      在金属加工行业中激光切割广泛应用于厚度不超过20mm的低碳钢及8mm的不锈钢其中钣金件大多数为轮廓形状复杂及批量不大例如自动电梯结构件、升降电梯面板、机床及粮食机械外罩、各种电气柜、开关柜、纺织机械零件、工程机械结构件、大电机硅钢片等。另外一些装饰、广告、服务行业用的金属图案、标识、字体亦可利用激光切割制造。
      数控砖塔冲床适合大批量生产形状简单的产品。成品有电气柜、通讯系统交换机柜、电梯门板及扶手面板、钢制家具等。从相同的切割加工与冲压条件相比较激光切割机的价格一般比数控砖塔冲床高但由于其灵活性及其它各方面的优势(例如激光切割只需按照绘图形状切割、另外亦不需制造模具使生产周期缩短)。近年来部分厂商逐渐意识到它所带来的高效益为了提升市场竞争力企业在拥有多台数控砖塔冲床的同时购置激光切割机以适应各类型的产品。所以与其说激光切割机与数控砖塔冲床存在竞争到不如说是互相补充更为贴切。
      2 激光切割的典型应用
      2.1 汽车领域的应用
      先进的三维激光设备不但可以实现车体零件的切割还可实现整个轿车车身整体的切割、焊接、热处理、熔覆、甚至三维测量从而实现常规加工无法实现的技术要求。德国通快公司的三维激光设备在奔驰公司、奥迪公司、宝马公司、大众公司、通用公司、福特公司、雷诺公司、SKODA公司、欧宝公司、SAAB公司、VOLVO公司和戴姆勒一克莱斯勒公司成功地应用多年。
      2.2 航空领域的广泛应用
      国际上众多的航空发动机企业采用三维激光设备进行燃烧器段的高温合金材料的切割和打孔任务在军用和民用航空器的铝合金材料或特殊材料的激光切割都获得了成功。
      3 激光焊接的特点及应用
      激光焊接是一种高速度、非接触、变形极小的焊接方式非常适合大量而连续的在线加工。随着激光设备和加工技术的发展激光焊接能力也在不断增强。目前使用4kW的C02激光器焊接1mm的板材焊接速度高达20m/min例如汽车行业的轿车箱底的大板拼接焊接工作等。激光焊接的方式主要有传导焊和穿透焊2种。目前全球的激光应用主要以穿透焊为主。近些年来高功率万瓦级激光器在机械、汽车、钢铁等工业部门获得了日益广泛的应用。
      激光焊接机与其他焊接技术比较主要优点是:
      (1)激光焊接速度快焊缝深宽比很大(可达5~10)变形小。
      (2)适合于精密件、箱体件和有密封要求焊接件的加工。激光束经聚集后可获得很小的光斑能精密定位可应用于大批量自动化生产不仅生产效率大大提高且热影响区小焊点无污染大大提高了焊接的质量。
      (3)激光焊缝机械性能好一般焊缝的机械性能均强于母材。
      (4)焊接时无需屏蔽或真空环境对工业化规模生产意义很大。
      (5)通过激光送丝焊接和激光送粉焊接等新工艺技术实现激光产业化应用开拓了激光焊接新的应用领域。
      (6)可焊接难以接近的部位实施非接触远距离焊接。尤其是近几年来在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术使激光焊接技术获得了更广泛的推广与应用。
      总之激光焊接有如下优势:高强度超长寿命高焊接速度效率高搭接接口工艺简单废品率低低定位精度适于产业化生产。主要应用于军工企业、食品工业、化学工业、石化工业。
      4 激光焊接的典型应用
      4.1 激光焊接汽车用大板拼接的应用
      为了满足汽车行业对宽幅钢板和特殊功能钢板的需求通过激光焊接进行大板拼接满足汽车厂大型三维功能冲压件的要求。全球汽车制造商都已实现此类部件的激光焊接应用。例如奔驰、宝马大众、通用、丰田、欧宝SAAB、戴姆勒一克莱斯勒等众多公司都早已应用。可以把1m宽的冷轧钢板通过激光焊接拼成2m宽的钢板。
      4.2 激光焊接在齿轮加工方面的应用
      激光焊接齿轮的工艺从根本上改变了传统的设计和制造理念为齿轮箱体类部件的加工提供了更好的经济性和更为紧凑的结构。使用激光焊接齿轮工艺需要先加工整个环状长齿圈然后截成若干个齿圈再分别根据齿轮箱的要求焊在传动轴上。
      5 结束语
      激光加工技术已在众多领域得到广泛应用随着激光加工技术、设备、工艺研究的不断深入将具有更广阔的应用前景。

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