现代激光加工技术在金属加工领域的应用

电器工业?５４?

现代激光加工技术在金属加工领域的应用

◎　冷箭利

自１９６０年美国科学家梅曼研制出第一台红宝石激光器，随着世界科技与经济发展的需要，激光技术有了迅速发展，尤其近十几年来的发展更为迅速，从而也极大地促进了激光加工技术的更广泛应用。激光与普通光相比有４个特性，即：单色性（单一波长）、相干性、方向性和高光强。激光束易于传输，其时间特性和空间特性可以分别控制，经聚焦后可得到极小的光斑，具有极高功率密度的激光光束可以熔化、气化任何材料，也可进行局部区域的精密快速加工。加工过程中输入工件的热量小，热影响区和热变形小；加工效率高，易于实现自动化。激光技术是一门综合性高新技术，涉及光学、机械学、电子学等学科。同样，激光加工设备也涉及到众多学科，因而决定了它的高科技性和高收益率。纵观国际和国内激光应用场情况，经过多年来的研究开发和完善，当代的激光器和激光加工技术与设备已相当成熟，形成系列激光加工工艺。此外各种新的激光加工工艺还在不断涌现，从国际范围的实际应用比例来看，激光加工主要用于切割、焊接、表面处理、打标和打孔等。二维和三维激光切割占激光应用的６５％，激光焊接占２Ｏ％左

右，激光打孔、打标占１０％以下。而激光表面处理，包括激光相变硬化、激光熔敷、激光表面合金化和激光表面熔凝等，仅占５％左右。从国内激光加工技术的发展和应用来看，已有越来越多的用户认识到激光加工独特的优异性能和高柔性、高效率。目前，在航空航天领域、汽车制造业、开关行业、齿轮行业、铁路机车制造业和金属材料加工行业都早已普及了激光技术。

一、激光切割的特点及应用

激光切割是当前各国应用最多的激光加工技术，在国外许多领域，例如，汽车制造业和机床制造业都采用激光切割进行钣金零部件的加工。随着大功率激光器光束质量的不断提高，激光切割的加工对象范围之广，几乎包括了所有的金属和非金属

材料。例如，可以利用激光对高硬度、高脆性、高熔点的材料，进行形状复杂的三维立体零件切割，这也正是激光切割的优势所在。

二、

　激光切割的主要优点

１．激光切割为非接触光学热加工，

被誉为

“永不磨损的万

能工具”

。工件可以进行任意形式的紧密排料或套裁，使原材

料得到充分利用。由于是非接触加工，加工后的零件没有任

何形变。

２．激光切割的效率高。以

１ｍｍ厚的铝合金板为例，切割

速度可达

４０　ｍ／ｍｉｎ。高效率使得单件加工成本成几何级数地

降低，甚至低于传统加工方法。

３、激光切割无需刀具和模具。在计算机控制下，可直接

实现二维、三维上任意形状的板类和壳体类零件的柔性加工，

特别适用于新产品研制开发阶段的多品种、

小批量的钣金类零

件的加工，可省去费用很高的模具设计、

制造费，

极大地缩短

生产周期。

４、激光切割的切缝极小。切缝一般在０．１５～０．４　ｍｍ之间。切口光洁、无毛刺，甚至可直接加工一定精度的传递用直齿轮成品。

三、激光焊接的特点及应用

激光焊接是一种高速度、非接触、变形极小的焊接方式，非常适合大量而连续的在线加工。随着激光设备和加工技术的发展，激光焊接能力也在不断增强。目前，使用４　ｋＷ的激光器焊接１　ｍｍ的板材，焊接速度高达２０　ｍ／ｍｉｎ，例如，汽车行业的轿车箱底的大板拼接焊接工作等。激光焊接的方式主要有传导焊和穿透焊两种。目前，全球的激光应用主要以穿透焊为主。激光焊接是激光材料加工激光器ＴＬＦ２７００ＨＱ技术应用的重要方面之一。

四、激光焊接的优势

最早获得“国家激光试验室”称号的是武汉法利莱公司，其生产的激光焊接机与其他焊接技术比较，主要优点是：１、激光焊接速度快，焊缝深宽比很大（可达５～１０），变形小。

２、极适合于精密件、箱体件和有密封要求焊接件的加工。激光束经聚集后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应用于大批量自动化生产，不仅生产效率大大提高，且热影响区小，焊点无污染，大大提高了焊接的质量。

３、激光焊缝机械性能好，一般焊缝的机械性能均强于母材。

４、　焊接时，无需屏蔽或真空环境，对工业化规模生产意义很大。

５、通过激光送丝焊接和激光送粉焊接等新工艺技术，实现激光产业化应用，并开拓了激光焊接的应用领域。

６、可焊接难以接近的部位，实施非接触远距离焊接。尤其是近几年来，在ＹＡＧ激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更广泛的推广与应用。

总之，激光焊接有如下优势：高强度，超长寿命；高焊接速度，效率高；搭接接口工艺简单，废品率低；低定位精度适于产业化生产。主要应用于军工企业、食品工业、化学工业、石化工业。

五．典型应用

１．　热交换器激光焊接技术的应用

激光焊接以其高可靠性和高效率，在热交换器行业得到了广泛的应用。热交换器行业的产品，普遍存在焊缝多，结构复杂，工作环境恶劣等问题，制约着产品的发展。激光焊接技术在此行业的成功应用，不但提高了产品的竞争力，还大幅度降低了制造成本和生产周期。国外相关产品已被大规模地广泛应用。

２、激光焊接在开关行业的应用

高压六氟化硫开关柜是高压开关行业的主导产品，此产品要求３０年以上自然环境下的可靠密封性。传统焊接方法对如此大的箱体零件，不但要面对箱体加工后形变、气密性不好等问题，还要面对加工效率低，高成本等诸多问题。模块化设计的三维激光加工机床就可实现带有曲面的开关箱体激光焊接任务。

特殊的焊接功率控制选项、焊缝跟踪系统、可编程保护气系统和激光送丝焊接装置，使得焊接质量完全满足了大批量产业化的要求。三维编程软件的采用，不但大大地提高了效率，而且废品率降为最低。现在世界上著名的高压开关厂商都使用通快公司的三维激光加工设备进行相应部件的切割和焊接应用。例如，在欧洲的欧玛一嘉宝公司、ＡＢＢ

公司和西门子公司均使用通快公司的三维设备进行高压ＳＦ

６

电气柜箱体的切割

和焊接工作。

不久的将来，

国内也将有开关行业的用户进行此

类应用。

３、激光焊接在齿轮加工的应用

激光焊接齿轮的工艺从根本上改变了传统的设计和制造理

念，

为齿轮箱体类部件的加工提供了更好的经济比和更为紧凑

的结构。使用激光焊接齿轮工艺，需要先加工整个环状长齿圈，

然后截成若干个齿圈，再分别根据齿轮箱的要求焊在传动

轴上。

激光加工技术已在众多领域得到广泛应用，

随着激光加工

技术、

设备、工艺研究的不断深入，

将具有更广阔的应用前景。

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