20世紀20年代愛因斯坦提出的光受激輻射的概念預見了激光的產生, 40 年后的1960年美國科學家梅曼率先研制成功的第一臺紅寶石激光器標志著激光的正式誕生, 隨后, 激光技術迅猛發展。繼固體激光器后, 氣體激光器、化學激光器、染料激光器、原子激光器、離子激光器、半導體激光器、X 射線激光器和光纖激光器相繼問世, 應用領域也擴展到諸如電子、輕工、包裝、禮品、小五金工業、醫療器械、汽車、機械制造、鋼鐵、冶金、石油等, 為傳統工業的技術改造和制造業的現代化提供先進的技術裝備。

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。激光束易于傳輸, 其時間特性和空間特性可以分別控制, 經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行精密快速加工。加工過程中輸入工件的熱量小,熱影響區和熱變形小; 加工效率高; 易于實現自動化。激光技術是一門綜合性高新技術, 涉及光學、機械學、電子學等學科。同樣, 激光加工設備也涉及到眾多學科, 因而決定了它的高科技性和高收益率。縱觀國際和國內激光應用情況經過多年的研究開發和完善, 當代的激光器和激光加工技術與設備已相當成熟, 形成了系列激光加工工藝。

本文介紹激光加工技術在金屬切割、焊接方面的應用情況。

1 激光切割的特點及應用

激光切割是當前各國應用最多的激光加工技術, 在國外許多領域, 例如, 汽車制造業和機床制造業都采用激光切割進行鈑金零部件的加工。隨著大功率激光器光束質量的不斷提高, 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、高熔點的材料進行形狀復雜的三維立體零件切割, 這也正是激光切割的優勢所在。

現在, 選用激光切割系統的企業主要分兩類: 一類是大中型制造企業, 這些企業生產的產品中有大量板材需要下料、切料, 并且具有較強的經濟和技術實力; 另一類統稱為加工站, 專門對外承接激光加工業務, 自身沒有主導產品。它的存在一方面可滿足一些中小企業加工的需要, 另一方面在初期對推廣應用激光切割技術帶來宣傳示范的作用。

激光切割的幾項關鍵技術是光、機、電一體化的綜合技術。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。激光切割的精準度、效率和品質因不同的參數而改變, 如切割功率、速度、頻率、材料厚度及材質等, 故操作人員的豐富經驗尤其重要。

1.1 激光切割的主要優點

(1) 切割品質好: 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、無污染, 大大改善了操作人員的工作環境。

激光切割屬于非接觸光學熱加工, 被譽為“永不磨損的萬能工具”。工件可以進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, 鈑金加工行業利用傳統沖床進行沖壓, 以后發展至數控轉塔沖床及復合機床。隨著社會進步,激光切割技術亦被引入至金屬加工行業, 目前已成為工業上板材切割的一種發展迅速、應用廣泛的先進加工方法。據非正式統計, 我國在工業生產中使用的激光切割系統累計已超過500臺, 約占全世界正在運行系統總量的2%。

在金屬加工行業中, 激光切割廣泛應用于厚度不超過20mm 的低碳鋼及8mm的不銹鋼, 其中鈑金件大多數為輪廓形狀復雜及批量不大, 例如自動電梯結構件、升降電梯面板、機床及糧食機械外罩、各種電氣柜、開關柜、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、服務行業用的金屬圖案、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形狀簡單的產品。成品有電氣柜、通訊系統交換機柜、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, 激光切割機的價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, 企業在擁有多臺數控磚塔沖床的同時, 購置激光切割機, 以適應各類型的產品。所以, 與其說激光切割機與數控磚塔沖床存在競爭, 到不如說是互相補充更為貼切。

2 激光切割的典型應用

2.1 汽車領域的應用

先進的三維激光設備, 不但可以實現車體零件的切割, 還可實現整個轎車車身整體的切割、焊接、熱處理、熔覆、甚至三維測量, 從而實現常規加工無法實現的技術要求。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 航空領域的廣泛應用

國際上眾多的航空發動機企業采用三維激光設備進行燃燒器段的高溫合金材料的切割和打孔任務, 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加工。隨著激光設備和加工技術的發展, 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, 汽車行業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, 高功率萬瓦級激光器在機械、汽車、鋼鐵等工業部門獲得了日益廣泛的應用。

激光焊接機與其他焊接技術比較, 主要優點是:

(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化生產, 不僅生產效率大大提高, 且熱影響區小, 焊點無污染, 大大提高了焊接的質量。

(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, 無需屏蔽或真空環境, 對工業化規模生產意義很大。

(5) 通過激光送絲焊接和激光送粉焊接等新工藝技術, 實現激光產業化應用, 開拓了激光焊接新的應用領域。

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

總之, 激光焊接有如下優勢: 高強度, 超長壽命;高焊接速度, 效率高; 搭接接口工藝簡單, 廢品率低;低定位精度適于產業化生產。主要應用于軍工企業、食品工業、化學工業、石化工業。

4 激光焊接的典型應用

4.1 激光焊接汽車用大板拼接的應用

為了滿足汽車行業對寬幅鋼板和特殊功能鋼板的需求, 通過激光焊接進行大板拼接, 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現此類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。可以把1m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, 為齒輪箱體類部件的加工提供了更好的經濟性和更為緊湊的結構。使用激光焊接齒輪工藝, 需要先加工整個環狀長齒圈, 然后截成若干個齒圈, 再分別根據齒輪箱的要求焊在傳動軸上。

5 結束語

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