激光切割与焊接的几种典型应用分析

　　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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