20世紀(jì)20年代愛(ài)因斯坦提出的光受激輻射的概念預(yù)見(jiàn)了激光的產(chǎn)生, 40年后的1960年美國(guó)科學(xué)家梅曼率先研制成功的第一臺(tái)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(wèn)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(gè)特性即: 單色性( 單一波長(zhǎng)) 、相干性、方向性和高光強(qiáng)。激光束易于傳輸, 其時(shí)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(duì)材料的局部區(qū)域進(jìn)行精密快速加工。加工過(guò)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(dòng)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(guó)際和國(guó)內(nèi)激光應(yīng)用情況經(jīng)過(guò)多年的研究開(kāi)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(guó)應(yīng)用最多的激光加工技術(shù), 在國(guó)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(duì)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(duì)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(shì)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(duì)外承接激光加工業(yè)務(wù),自身沒(méi)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(duì)推廣應(yīng)用激光切割技術(shù)帶來(lái)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(wú)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(wàn)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(guò)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(huì)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(jì), 我國(guó)在工業(yè)生產(chǎn)中使用的激光切割系統(tǒng)累計(jì)已超過(guò)500臺(tái),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(guò)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(dòng)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(kāi)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(shí)、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(jiǎn)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(jià)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(shì)(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(lái), 部分廠商逐漸意識(shí)到它所帶來(lái)的高效益, 為了提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力, 企業(yè)在擁有多臺(tái)數(shù)控磚塔沖床的同時(shí),購(gòu)置激光切割機(jī), 以適應(yīng)各類型的產(chǎn)品。所以, 與其說(shuō)激光切割機(jī)與數(shù)控磚塔沖床存在競(jìng)爭(zhēng), 到不如說(shuō)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(gè)轎車車身整體的切割、焊接、熱處理、熔覆、甚至三維測(cè)量,從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)加工無(wú)法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)要求。德國(guó)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