激光加工现状及发展趋势
激光技术在我国经过30多年的发展,取得了上千项科技成果,许多已用于生产实践,激光加工设备产量平均每年以20%的速度增长,为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题。例如,激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广,将改变我国汽车覆盖件的钢板依赖进口的状态;激光标记机与激光焊接装备机的质最、功能、价格符合国内市场的需求,市场占有率达90%以上。
激光加工的技术现状
激光加工是国外激光应用中最大的项目,也是对传统产业改造的重要手段,主要是千瓦级到十千瓦级Co2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、熔覆和表面处理等。据近年来的激光市场评述和预侧,激光器的应用占第一位的是材料加工领域,医用激光器是国外第二大应用领城。
激光加工应用领域中,CO2激光器以切割和焊接应用最广泛,分别占到70%和20%.表面处理不到10%。而YAG激光器的应用以焊接、标记((50%)和切割(15%)为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了70%--80%。我国激光加工中以切割为主的占10%,其中98%以上的CO2激光器功率在1.5--2kW范围内;以表面处理为主的约占15%,大多数是进行激光表面处理汽车发动机的汽缸套。激光加工技术的经济性和社会效益都很高,有很大的市场前景。
在汽车工业中,激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活的加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机,不仅节省了样板及工装设备,还大大缩短了生产周期;激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔,速度快而不产生破损;激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺,日本Toyota公司已将激光用于车身面板的焊接,将不同厚度和不同表面涂覆的金属板焊接在一起,然后进行冲压。虽然激光表面处理在国外不如焊接和切割普遍,但在汽车工业中仍应用广泛,如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的表面处理。在工业发达国家,激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合,派生出了激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型,而且还可以直接由金属粉末熔融,制造出金属模具。
图1.3所示是在车身总装上用激光焊取代电阻焊工艺的示愈图,使得汽车设计可以自由地发挥其想象力和创造性,设计出具有独特风格的车型。同时激光焊接技术较之电阻点焊具有更高的效率、更优异的接头性能、更少的材料消耗等优势。
由于激光加工技术的优势,在欧洲几乎所有的汽车制造企业都无一例外地大量采用了激光加工技术。例如,德国大众公司曾一次性订购了260台4kW大功率YAG激光器,主要用于车身的总装。德国博世公司的生产线上安装了不同类别的大功率激光加工设备400多台,主要用子汽车零部件的加工。激光加工技术在汽车制造中应用的广度和深度已经成为了汽车工业先进性的重要标志。
航空航天领城,在20世纪70年代之前,由于没有高功率连续激光器,主要是脉冲激光焊接应用子小型精密零件的点焊,或由单个焊点搭接而成的焊缝。20世纪70年代以后,随着数千瓦的co2激光焊接技术的研发,情况发生了根本性的变化。几毫米厚的钢板能够一次性焊透,所得焊缝与电子束焊接相似,显示了高功率激光焊接的巨大潜力。例如,空客A380之所以能大幅度减轻飞机质量、减少油耗、降低运营成本的主要原因,就是将激光焊技术应用于机身、机翼的内隔板与加强筋的连接(图1.4),取代原有的铆接工艺,被德国宇航界称为航空制造业中的一大技术革命。
21世纪以来,YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越大的作用。通常认为YAG激光器切割可以得到良好的切割质量和高的切割精度,但在切割速度上受到限制。随着YAG激光器输出功率和光束质量的提高,YAG激光器已挤进了千瓦级co2激光器切割市场。YAG激光器特别适合不允许热变形和焊接污染的微型器件,如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。