數控切割機之數控激光切割機的發(fā)展及應用

20世紀20年代愛(ài)因斯坦提出的光受激輻射的概念預見(jiàn)了激光的產(chǎn)生,40年后的1960年美國科學(xué)家梅曼率先研制成功的第一臺紅寶石激光器標志著(zhù)激光的正式誕生,隨后,激光技術(shù)迅猛發(fā)展。繼固體激光器后,氣體激光器、化學(xué)激光器、染料激光器、原子激光器、離子激光器、半導體激光器、X射線(xiàn)激光器和光纖激光器相繼問(wèn)世,應用領(lǐng)域也擴展到諸如電子、輕工、包裝、禮品、小五金工業(yè)、醫療器械、汽車(chē)、機械制造、鋼鐵、冶金、石油等,為傳統工業(yè)的技術(shù)改造和制造業(yè)的現代化提供先進(jìn)的技術(shù)裝備。

激光與普通光相比有4個(gè)特性即:單色性(單一波長(cháng))、相干性、方向性和高光強。激光束易于傳輸,其時(shí)間特性和空間特性可以分別控制,經(jīng)聚焦后可得到極小的光斑,具有極高功率密度的激光光束可以熔化、氣化任何材料,也可對材料的局部區域進(jìn)行精密快速加工。加工過(guò)程中輸入工件的熱量小,熱影響區和熱變形小;加工效率高;易于實(shí)現自動(dòng)化。激光技術(shù)是一門(mén)綜合性高新技術(shù),涉及光學(xué)、機械學(xué)、電子學(xué)等學(xué)科。同樣,激光加工設備也涉及到眾多學(xué)科,因而決定了它的高科技性和高收益率?？v觀(guān)國際和國內激光應用情況經(jīng)過(guò)多年的研究開(kāi)發(fā)和完善,當代的激光器和激光加工技術(shù)與設備已相當成熟,形成了系列激光加工工藝。

本文介紹激光加工技術(shù)在金屬切割、焊接方面的應用情況。

1激光切割的特點(diǎn)及應用

激光切割是當前各國應用最多的激光加工技術(shù),在國外許多領(lǐng)域,例如,汽車(chē)制造業(yè)和機床制造業(yè)都采用激光切割進(jìn)行鈑金零部件的加工。隨著(zhù)大功率激光器光束質(zhì)量的不斷提高,激光切割的加工對象范圍將更加廣泛,幾乎包括了所有的金屬和非金屬材料。例如可以利用激光對高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)的材料進(jìn)行形狀復雜的三維立體零件切割,這也正是激光切割的優(yōu)勢所在。

現在,選用激光切割系統的企業(yè)主要分兩類(lèi):一類(lèi)是大中型制造企業(yè),這些企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品中有大量板材需要下料、切料,并且具有較強的經(jīng)濟和技術(shù)實(shí)力;另一類(lèi)統稱(chēng)為加工站,專(zhuān)門(mén)對外承接激光加工業(yè)務(wù),自身沒(méi)有主導產(chǎn)品。它的存在一方面可滿(mǎn)足一些中小企業(yè)加工的需要,另一方面在初期對推廣應用激光切割技術(shù)帶來(lái)宣傳示范的作用。

激光切割的幾項關(guān)鍵技術(shù)是光、機、電一體化的綜合技術(shù)。激光光束的參數、機器與數控系統的性能和精度都直接影響激光切割的效率和品質(zhì)。激光切割的精準度、效率和品質(zhì)因不同的參數而改變,如切割功率、速度、頻率、材料厚度及材質(zhì)等,故操作人員的豐富經(jīng)驗尤其重要。

1.1激光切割的主要優(yōu)點(diǎn)

(1)切割品質(zhì)好:切口寬度窄(一般為0.1-0.5mm)、精度高(一般孔中心距誤差0.1-0.4mm,輪廓尺寸誤差0.1～0.5mm)、切口表面粗糙度好(一般Ra為12.5～25μm),切縫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的碳鋼切割速度為1.6m/min;厚度2mm的不銹鋼切割速度為3.5m/min,熱影響區小,變形極小。

(3)清潔、安全、無(wú)污染,大大改善了操作人員的工作環(huán)境。

激光切割屬于非接觸光學(xué)熱加工,被譽(yù)為“永不磨損的萬(wàn)能工具”。工件可以進(jìn)行任意形式的緊密排料或套裁,使原材料得到充分利用。由于是非接觸加工,加工后的零件的扭曲現象降至最低并減少了磨損量。

其實(shí)激光切割亦有其不足之處,就精度和切口表面粗度而言,激光切割未能超過(guò)電加工,就切割厚度而言難以達到火焰和等離子切割的水準。另外它亦不能像轉塔沖床一樣進(jìn)行成型、攻牙及折邊等。

1.2激光切割與沖床的比較

以前,鈑金加工行業(yè)利用傳統沖床進(jìn)行沖壓,以后發(fā)展至數控轉塔沖床及復合機床。隨著(zhù)社會(huì )進(jìn)步,激光切割技術(shù)亦被引入至金屬加工行業(yè),目前已成為工業(yè)上板材切割的一種發(fā)展迅速、應用廣泛的先進(jìn)加工方法。據非正式統計,我國在工業(yè)生產(chǎn)中使用的激光切割系統累計已超過(guò)500臺,約占全世界正在運行系統總量的2%。

在金屬加工行業(yè)中,激光切割廣泛應用于厚度不超過(guò)20mm的低碳鋼及8mm的不銹鋼,其中鈑金件大多數為輪廓形狀復雜及批量不大,例如自動(dòng)電梯結構件、升降電梯面板、機床及糧食機械外罩、各種電氣柜、開(kāi)關(guān)柜、紡織機械零件、工程機械結構件、大電機硅鋼片等。另外,一些裝飾、廣告、服務(wù)行業(yè)用的金屬圖案、標識、字體亦可利用激光切割制造。

數控磚塔沖床適合大批量生產(chǎn)形狀簡(jiǎn)單的產(chǎn)品。成品有電氣柜、通訊系統交換機柜、電梯門(mén)板及扶手面板、鋼制家具等。從相同的切割加工與沖壓條件相比較,激光切割機的價(jià)格一般比數控磚塔沖床高,但由于其靈活性及其它各方面的優(yōu)勢(例如激光切割只需按照繪圖形狀切割、另外亦不需制造模具,使生產(chǎn)周期縮短)。近年來(lái),部分廠(chǎng)商逐漸意識到它所帶來(lái)的高效益,為了提升市場(chǎng)競爭力,企業(yè)在擁有多臺數控磚塔沖床的同時(shí),購置激光切割機,以適應各類(lèi)型的產(chǎn)品。所以,與其說(shuō)激光切割機與數控磚塔沖床存在競爭,到不如說(shuō)是互相補充更為貼切。

2激光切割的典型應用

2.1汽車(chē)領(lǐng)域的應用

先進(jìn)的三維激光設備,不但可以實(shí)現車(chē)體零件的切割,還可實(shí)現整個(gè)轎車(chē)車(chē)身整體的切割、焊接、熱處理、熔覆、甚至三維測量,從而實(shí)現常規加工無(wú)法實(shí)現的技術(shù)要求。德國通快公司的三維激光設備在奔馳公司、奧迪公司、寶馬公司、大眾公司、通用公司、福特公司、雷諾公司、SKODA公司、歐寶公司、SAAB公司、VOLVO公司和戴姆勒一克萊斯勒公司成功地應用多年。

2.2航空領(lǐng)域的廣泛應用

國際上眾多的航空發(fā)動(dòng)機企業(yè)采用三維激光設備進(jìn)行燃燒器段的高溫合金材料的切割和打孔任務(wù),在軍用和民用航空器的鋁合金材料或特殊材料的激光切割都獲得了成功。

3激光焊接的特點(diǎn)及應用

激光焊接是一種高速度、非接觸、變形極小的焊接方式,非常適合大量而連續的在線(xiàn)加工。隨著(zhù)激光設備和加工技術(shù)的發(fā)展,激光焊接能力也在不斷增強。目前,使用4kW的C02激光器焊接1mm的板材,焊接速度高達20m/min,例如,汽車(chē)行業(yè)的轎車(chē)箱底的大板拼接焊接工作等。激光焊接的方式主要有傳導焊和穿透焊2種。目前全球的激光應用主要以穿透焊為主。近些年來(lái),高功率萬(wàn)瓦級激光器在機械、汽車(chē)、鋼鐵等工業(yè)部門(mén)獲得了日益廣泛的應用。

激光焊接機與其他焊接技術(shù)比較,主要優(yōu)點(diǎn)是:

(1)激光焊接速度快,焊縫深寬比很大(可達5～10),變形小。

(2)適合于精密件、箱體件和有密封要求焊接件的加工。激光束經(jīng)聚集后可獲得很小的光斑,能精密定位,可應用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn),不僅生產(chǎn)效率大大提高,且熱影響區小,焊點(diǎn)無(wú)污染,大大提高了焊接的質(zhì)量。

(3)激光焊縫機械性能好,一般焊縫的機械性能均強于母材。

(4)焊接時(shí),無(wú)需屏蔽或真空環(huán)境,對工業(yè)化規模生產(chǎn)意義很大。

(5)通過(guò)激光送絲焊接和激光送粉焊接等新工藝技術(shù),實(shí)現激光產(chǎn)業(yè)化應用,開(kāi)拓了激光焊接新的應用領(lǐng)域。

(6)可焊接難以接近的部位,實(shí)施非接觸遠距離焊接。尤其是近幾年來(lái),在YAG激光加工技術(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù),使激光焊接技術(shù)獲得了更廣泛的推廣與應用。

總之,激光焊接有如下優(yōu)勢:高強度,超長(cháng)壽命;高焊接速度,效率高;搭接接口工藝簡(jiǎn)單,廢品率低;低定位精度適于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。主要應用于軍工企業(yè)、食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石化工業(yè)。

4激光焊接的典型應用

4.1激光焊接汽車(chē)用大板拼接的應用

為了滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)對寬幅鋼板和特殊功能鋼板的需求,通過(guò)激光焊接進(jìn)行大板拼接,滿(mǎn)足汽車(chē)廠(chǎng)大型三維功能沖壓件的要求。全球汽車(chē)制造商都已實(shí)現此類(lèi)部件的激光焊接應用。例如,奔馳、寶馬大眾、通用、豐田、歐寶SAAB、戴姆勒一克萊斯勒等眾多公司都早已應用?？梢园?m寬的冷軋鋼板,通過(guò)激光焊接,拼成2m寬的鋼板。

4.2激光焊接在齒輪加工方面的應用

激光焊接齒輪的工藝從根本上改變了傳統的設計和制造理念,為齒輪箱體類(lèi)部件的加工提供了更好的經(jīng)濟性和更為緊湊的結構。使用激光焊接齒輪工藝,需要先加工整個(gè)環(huán)狀長(cháng)齒圈,然后截成若干個(gè)齒圈,再分別根據齒輪箱的要求焊在傳動(dòng)軸上。

5結束語(yǔ)

激光加工技術(shù)已在眾多領(lǐng)域得到廣泛應用,隨著(zhù)激光加工技術(shù)、設備、工藝研究的不斷深入,將具有更廣闊的應用前景。