激光切割與焊接的幾種典型應(yīng)用分析

20世紀(jì)20年代愛因斯坦提出的光受激輻射的概念預(yù)見了激光的產(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(biāo)志著激光的正式誕生, 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(dǎo)體激光器、X 射線激光器和光纖激光器相繼問世, 應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)展到諸如電子、輕工、包裝、禮品、小五金工業(yè)、醫(yī)療器械、汽車、機(jī)械制造、鋼鐵、冶金、石油等, 為傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造和制造業(yè)的現(xiàn)代化提供先進(jìn)的技術(shù)裝備。

激光與普通光相比有4個特性即: 單色性( 單一波長) 、相干性、方向性和高光強(qiáng)。激光束易于傳輸, 其時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(qū)域進(jìn)行精密快速加工。加工過程中輸入工件的熱量小,熱影響區(qū)和熱變形小; 加工效率高; 易于實(shí)現(xiàn)自動化。激光技術(shù)是一門綜合性高新技術(shù), 涉及光學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)等學(xué)科。同樣, 激光加工設(shè)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。縱觀國際和國內(nèi)激光應(yīng)用情況經(jīng)過多年的研究開發(fā)和完善, 當(dāng)代的激光器和激光加工技術(shù)與設(shè)備已相當(dāng)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(yīng)用情況。

1 激光切割的特點(diǎn)及應(yīng)用

激光切割是當(dāng)前各國應(yīng)用最多的激光加工技術(shù), 在國外許多領(lǐng)域, 例如, 汽車制造業(yè)和機(jī)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(fù)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(xiàn)在, 選用激光切割系統(tǒng)的企業(yè)主要分兩類: 一類是大中型制造企業(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(qiáng)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)實(shí)力; 另一類統(tǒng)稱為加工站, 專門對外承接激光加工業(yè)務(wù), 自身沒有主導(dǎo)產(chǎn)品。它的存在一方面可滿足一些中小企業(yè)加工的需要, 另一方面在初期對推廣應(yīng)用激光切割技術(shù)帶來宣傳示范的作用。

激光切割的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是光、機(jī)、電一體化的綜合技術(shù)。激光光束的參數(shù)、機(jī)器與數(shù)控系統(tǒng)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(zhǔn)度、效率和品質(zhì)因不同的參數(shù)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(yàn)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(qū)小, 變形極小。

(3) 清潔、安全、無污染, 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(xiàn)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, 激光切割未能超過電加工, 就切割厚度而言難以達(dá)到火焰和等離子切割的水準(zhǔn)。另外它亦不能像轉(zhuǎn)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(tǒng)沖床進(jìn)行沖壓, 以后發(fā)展至數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床及復(fù)合機(jī)床。隨著社會進(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(yīng)用廣泛的先進(jìn)加工方法。據(jù)非正式統(tǒng)計, 我國在工業(yè)生產(chǎn)中使用的激光切割系統(tǒng)累計已超過500臺, 約占全世界正在運(yùn)行系統(tǒng)總量的2%。

在金屬加工行業(yè)中, 激光切割廣泛應(yīng)用于厚度不超過20mm 的低碳鋼及8mm的不銹鋼, 其中鈑金件大多數(shù)為輪廓形狀復(fù)雜及批量不大, 例如自動電梯結(jié)構(gòu)件、升降電梯面板、機(jī)床及糧食機(jī)械外罩、各種電氣柜、開關(guān)柜、紡織機(jī)械零件、工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件、大電機(jī)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(biāo)識、字體亦可利用激光切割制造。

數(shù)控磚塔沖床適合大批量生產(chǎn)形狀簡單的產(chǎn)品。成品有電氣柜、通訊系統(tǒng)交換機(jī)柜、電梯門板及扶手面板、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(jī)的價格一般比數(shù)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, 部分廠商逐漸意識到它所帶來的高效益, 為了提升市場競爭力, 企業(yè)在擁有多臺數(shù)控磚塔沖床的同時, 購置激光切割機(jī), 以適應(yīng)各類型的產(chǎn)品。所以, 與其說激光切割機(jī)與數(shù)控磚塔沖床存在競爭, 到不如說是互相補(bǔ)充更為貼切。

2 激光切割的典型應(yīng)用

2.1 汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

先進(jìn)的三維激光設(shè)備, 不但可以實(shí)現(xiàn)車體零件的切割, 還可實(shí)現(xiàn)整個轎車車身整體的切割、焊接、熱處理、熔覆、甚至三維測量, 從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)加工無法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)要求。德國通快公司的三維激光設(shè)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(yīng)用多年。

2.2 航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用

國際上眾多的航空發(fā)動機(jī)企業(yè)采用三維激光設(shè)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(yīng)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(xù)的在線加工。隨著激光設(shè)備和加工技術(shù)的發(fā)展, 激光焊接能力也在不斷增強(qiáng)。目前, 使用4kW的C02激光器焊接1mm的板材, 焊接速度高達(dá)20m/min, 例如, 汽車行業(yè)的轎車箱底的大板拼接焊接工作等。激光焊接的方式主要有傳導(dǎo)焊和穿透焊2 種。目前全球的激光應(yīng)用主要以穿透焊為主。近些年來, 高功率萬瓦級激光器在機(jī)械、汽車、鋼鐵等工業(yè)部門獲得了日益廣泛的應(yīng)用。

激光焊接機(jī)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(dá)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(yīng)用于大批量自動化生產(chǎn), 不僅生產(chǎn)效率大大提高, 且熱影響區(qū)小, 焊點(diǎn)無污染, 大大提高了焊接的質(zhì)量。

(3) 激光焊縫機(jī)械性能好, 一般焊縫的機(jī)械性能均強(qiáng)于母材。

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

(5) 通過激光送絲焊接和激光送粉焊接等新工藝技術(shù), 實(shí)現(xiàn)激光產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用, 開拓了激光焊接新的應(yīng)用領(lǐng)域。

(6) 可焊接難以接近的部位, 實(shí)施非接觸遠(yuǎn)距離焊接。尤其是近幾年來, 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(yīng)用。

總之, 激光焊接有如下優(yōu)勢: 高強(qiáng)度, 超長壽命;高焊接速度, 效率高; 搭接接口工藝簡單, 廢品率低;低定位精度適于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。主要應(yīng)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(yīng)用

4.1 激光焊接汽車用大板拼接的應(yīng)用

為了滿足汽車行業(yè)對寬幅鋼板和特殊功能鋼板的需求, 通過激光焊接進(jìn)行大板拼接, 滿足汽車廠大型三維功能沖壓件的要求。全球汽車制造商都已實(shí)現(xiàn)此類部件的激光焊接應(yīng)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(yīng)用?？梢园?m寬的冷軋鋼板, 通過激光焊接, 拼成2m 寬的鋼板。

4.2 激光焊接在齒輪加工方面的應(yīng)用

激光焊接齒輪的工藝從根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計和制造理念, 為齒輪箱體類部件的加工提供了更好的經(jīng)濟(jì)性和更為緊湊的結(jié)構(gòu)。使用激光焊接齒輪工藝, 需要先加工整個環(huán)狀長齒圈, 然后截成若干個齒圈, 再分別根據(jù)齒輪箱的要求焊在傳動軸上。

5 結(jié)束語

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