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)是一門綜合性先進(jìn)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?？v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。
現(xiàn)在我們介紹下激光加工技術(shù)在金屬切割方面的應(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“永不磨損的全面工具”。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。
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【金屬激光切割設(shè)備】主要用于切割不銹鋼、碳鋼、鋁、銅、鋁合金、鐵、黃金、銀等厚度為1.0~25mm的板材；
【不銹鋼激光切割設(shè)備】穩(wěn)定、可靠的經(jīng)典龍門雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，自動交換工作臺，在切割的同時在另外一個工作臺上下料，方便快捷省時；
【光纖激光切割】具備高速的移動速度、加速度性能以及動態(tài)性，是博奧激光針對高效率而專門研發(fā)的一款產(chǎn)品，其切割0.5mm不銹鋼的速度達(dá)到100m/min；
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