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海若五金:激光切割技术概述、特点、应用及发展

激光切割技术概述

激光切割技术是激光技术在工业中的主要应用,它已成为当前工业加工领域应用最多的激光加工方法,可占整个激光加工业的70%以上。飞越激光将系统阐述激光切割原理、工艺方法及应用等。


激光切割技术的特点


激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件,在超过激光國值的激光功率密度的前提下,激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的、化学反应热能全部被材料吸收,由此引起激光作用点的温度急剧上升,达到沸点后材料开始汽化,并形成孔洞,随着光束与工件的相对运动,最终使材料形成切缝,切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。


激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割质量好、热影响区小、加工柔性大等优点在现代工业中得到了极为广泛的应用,激光切割技术也成为激光加工技术中最为成熟的技术之一。


激光切割技术的应用及发展


激光切割技术的应用

激光切割可分为汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂切割,其中以氧助熔化切割应用最广。根据切割材料可分为金属激光切割和非金属激光切割:


从工业应用领域来看,金属和非金属的激光切割是激光加工最主要的应用领域,最具代表性的应用是在汽车工业中,从轿车底板的激光拼焊,顶棚的激光焊接,车身覆盖件三维轮廓的激光切割到汽车转向器零件的激光淬火等,都有大量的应用。据估计,约有60%的汽车零部件可以通过激光加工来提高质量。激光切割过程中无“刀具”的磨损。无“切削力”作用于工件。激光切割板材其切割效率可以提高8~20倍,节省材料15%~30%,可以大幅度降低生产成本,且加工精度高,产品质量可靠。美国、欧洲和日本等工业发达国家和地区的激光加工已经形成了一个新兴的高技术产业,工业激光器和激光加工机的销售逐年递增,应用领域规模不断扩大。


日本是最早将激光切割加工系统引进到汽车生产中的国家,主要应用于大型覆盖件的下料切边,挡风板的激光切割等。美国福特和通用汽车公司以及日本的丰田、日产等汽车公司,在汽车生产线上普遍采用激光切割技术。它不必采用各种规格的金属模具,除了快速方便地切割各种不同形状的坯料外,还用来大量切割加工因规格不同而需要更改的零件安装孔位置,如汽车标志灯、车架、车身两侧装饰线等。通用汽车公司生产的卡车,仅车门就有直径为2.8~39mm的20种孔。该公司采的 Rofin-Sinar的500W激光器通过光纤连接到装在机械手上的焊头,用以切割这些孔,1min就完成-扇门开孔的加工。孔边缘光滑,背面平整。2.8mm孔的公差为±0.03-0.08mm;12 mm孔的公差为±0.25-0.03mm.该公司生产的卡车和客车由89种孔径和孔位配置不同的底盘,经过优化设计,现在只需要冲压5种不同的底盘,由激光切割出配置不同的孔。简化了工艺,提高效率,降低了成本。相对而言,日本在激光加工工艺方面的研究更是走在世界的前列,已经在车门制造过程中将钢板切割、焊接和压模成形一体化,并且取得了很大的进展。


三维激光切割技术,由于其本身具有加工灵活和保证质量的特性。在20世纪80年代就开始在汽车车身制造中应用。切割时只需用平直的支撑块来支撑工件,因此,夹具的制作不仅成本低而且快速。由于与 CAD/CAM 技术相结合,切割过程易于控制,可实现连续生产和并行加工,从而实现高效率的切割生产。相对于CO₂激光器,YAG激光器可通过光导纤维输送,比较灵活方便,适用于机器人手执激光“喷嘴”配合程序控制进行精确操作,因此在三维切割时大多采用YAG激光器。三维激光切割在车身装配后的加工也十分有用,如开行李架固定孔、顶盖滑轨孔、天线安装孔,修改车轮挡泥板形状等。在新车试制中将三维激光切割用于切割轮廓和修正,既缩短了试制周期又省去了模具,充分体现出采用激光切割加工的优点。


激光切割技术的发展


在激光切割工艺研究方面,主要集中于对激光模式、激光输出功率、焦点位置以及喷嘴形状等问题的研究。早在20世纪70~80年代,美国、德国以及日本等国家已经在大量的激光切割工艺试验的基础上,总结激光切割工艺,建立工艺数据库,并着手研究高性能的激光切割系统,20世纪90年代初期,国外就已经推出了一些高性能的激光切割系统,具有加工参数自动设定的功能。


同国外的发展情况相比,我国的激光加工技术研究起步较晚,基础工业相对落后,工业生产自动化程度不是很高,市场竞争意识薄弱。但是由于国家高度重视发展高科技产业,经过长期不懈的努力已经取得了可喜的成果,尤其在激光切割方面,成果更加显著。主要分为以下三个阶段:


第一阶段:早在20世纪70年代中期,我国就开始激光切割试验,到70年代末,中科院长春光机所就为成都飞机制造厂安装了中功率(500W左右)激光器,用于切割飞机零件。1976年,由中科院长春光机所、长春第一汽车制造厂轿车分厂等单位合作研制的CO₂激光机成功地应用于“红旗”牌轿车的覆盖件的切割,这是我国激光切割发展的第一阶段。


第二阶段:从20世纪80年代中期开始,上海、株洲和天津等地先后全套引进高功率(1500 W左右)激光切割系统,较广泛地把激光切割新工艺引人了我国的工业制造领域。


第三阶段:20世纪90年代以后是激光切割发展的第三阶段,开始发展中、高功率的,具有适合切割光束模式的快流CO₂激光系统(包括激光器、切割机床和数控系统)为工业界服务。


激光加工技术除被列入国家重点科技攻关外,它也被列人国家自然科学基金、国家863计划、国家火炬计划等项目。为了推动激光加工产业化的进程,我国还建立了三个国家级的激光加工中心。它们分别是:国家科委组建的“国家固体激光工程技术研究中心”,依托于电子工业部第十一研究所,山国家计委组建的“激光加工国家工程研究中心”,依托于华中科技大学激光技术与工程研究院:由国家经贸委组建的“国家产学研激光加工技术中心”,依托于北京市机电研究院和北京工业大学。


在激光切割方面。目前基本上集中在平板切割,主要是用于覆盖件的下料和样板切割,而在激光三维切割方面的应用研究才开始起步。国家自然科学基金委在1997年把“大功率CO₂及YAG激光三维焊接和切割理论与技术”作为重点项目进行资助。国家产学研激光技术中心的有关学者对此进行了系统的研究,为在我国汽车车身制造业中应用三维激光立体加工技术做出了很大贡献。该中心拥有从德国 TRUMPF 公司引进的具有20世纪90年代国际水平的6000 kW Turbo 型CO₂激光器及与之相配套的五轴联动激光加工机,可实现对零件的五面体切割和焊接;从Hass公司引进的500WYAG激光器及六轴机械手和光纤传输系统,可实现工件空间任意位置的切割和焊接。该中心为一汽轿车公司、宝山钢铁公司等国有大型企业的技术改造,开展了重大工程项目攻关。其中,开发“红旗”加长型轿车覆盖件的三维激光制造工艺技术,在我国轿车生产中是首次采用;在汽车用薄厚钢板激光大拼板拼接工艺试验研究中,首次采用了激光切割替代精裁的工艺技术,取得了较好的技术经济效果:在企业方面,柳州微型汽车厂也已经有了五轴CO2激光加工机;上海大众汽车公司新的桑塔纳生产线也在引进高功率YAG三维加工系统;济南铸锻研究所为一汽开发的六轴CO₂激光加工机也已进人运行阶段,用作轿车车身的切割成形。


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