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海若五金:激光切割技術概述、特點、應用及發展

激光切割技術概述

激光切割技術是激光技術在工業中的主要應用,它已成為當前工業加工領域應用最多的激光加工方法,可占整個激光加工業的70%以上。飛越激光將系統闡述激光切割原理、工藝方法及應用等。


激光切割技術的特點


激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件,在超過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氣體輔助切割過程所附加的、化學反應熱能全部被材料吸收,由此引起激光作用點的溫度急劇上升,達到沸點后材料開始汽化,并形成孔洞,隨著光束與工件的相對運動,最終使材料形成切縫,切縫處的熔渣被一定的輔助氣體吹除。


激光切割以其切割范圍廣、切割速度高、切縫窄、切割質量好、熱影響區小、加工柔性大等優點在現代工業中得到了極為廣泛的應用,激光切割技術也成為激光加工技術中最為成熟的技術之一。


激光切割技術的應用及發展


激光切割技術的應用

激光切割可分為汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制斷裂切割,其中以氧助熔化切割應用最廣。根據切割材料可分為金屬激光切割和非金屬激光切割:


從工業應用領域來看,金屬和非金屬的激光切割是激光加工最主要的應用領域,最具代表性的應用是在汽車工業中,從轎車底板的激光拼焊,頂棚的激光焊接,車身覆蓋件三維輪廓的激光切割到汽車轉向器零件的激光淬火等,都有大量的應用。據估計,約有60%的汽車零部件可以通過激光加工來提高質量。激光切割過程中無“刀具”的磨損。無“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,節省材料15%~30%,可以大幅度降低生產成本,且加工精度高,產品質量可靠。美國、歐洲和日本等工業發達國家和地區的激光加工已經形成了一個新興的高技術產業,工業激光器和激光加工機的銷售逐年遞增,應用領域規模不斷擴大。


日本是最早將激光切割加工系統引進到汽車生產中的國家,主要應用于大型覆蓋件的下料切邊,擋風板的激光切割等。美國福特和通用汽車公司以及日本的豐田、日產等汽車公司,在汽車生產線上普遍采用激光切割技術。它不必采用各種規格的金屬模具,除了快速方便地切割各種不同形狀的坯料外,還用來大量切割加工因規格不同而需要更改的零件安裝孔位置,如汽車標志燈、車架、車身兩側裝飾線等。通用汽車公司生產的卡車,僅車門就有直徑為2.8~39mm的20種孔。該公司采的 Rofin-Sinar的500W激光器通過光纖連接到裝在機械手上的焊頭,用以切割這些孔,1min就完成-扇門開孔的加工。孔邊緣光滑,背面平整。2.8mm孔的公差為±0.03-0.08mm;12 mm孔的公差為±0.25-0.03mm.該公司生產的卡車和客車由89種孔徑和孔位配置不同的底盤,經過優化設計,現在只需要沖壓5種不同的底盤,由激光切割出配置不同的孔。簡化了工藝,提高效率,降低了成本。相對而言,日本在激光加工工藝方面的研究更是走在世界的前列,已經在車門制造過程中將鋼板切割、焊接和壓模成形一體化,并且取得了很大的進展。


三維激光切割技術,由于其本身具有加工靈活和保證質量的特性。在20世紀80年代就開始在汽車車身制造中應用。切割時只需用平直的支撐塊來支撐工件,因此,夾具的制作不僅成本低而且快速。由于與 CAD/CAM 技術相結合,切割過程易于控制,可實現連續生產和并行加工,從而實現高效率的切割生產。相對于CO?激光器,YAG激光器可通過光導纖維輸送,比較靈活方便,適用于機器人手執激光“噴嘴”配合程序控制進行精確操作,因此在三維切割時大多采用YAG激光器。三維激光切割在車身裝配后的加工也十分有用,如開行李架固定孔、頂蓋滑軌孔、天線安裝孔,修改車輪擋泥板形狀等。在新車試制中將三維激光切割用于切割輪廓和修正,既縮短了試制周期又省去了模具,充分體現出采用激光切割加工的優點。


激光切割技術的發展


在激光切割工藝研究方面,主要集中于對激光模式、激光輸出功率、焦點位置以及噴嘴形狀等問題的研究。早在20世紀70~80年代,美國、德國以及日本等國家已經在大量的激光切割工藝試驗的基礎上,總結激光切割工藝,建立工藝數據庫,并著手研究高性能的激光切割系統,20世紀90年代初期,國外就已經推出了一些高性能的激光切割系統,具有加工參數自動設定的功能。


同國外的發展情況相比,我國的激光加工技術研究起步較晚,基礎工業相對落后,工業生產自動化程度不是很高,市場競爭意識薄弱。但是由于國家高度重視發展高科技產業,經過長期不懈的努力已經取得了可喜的成果,尤其在激光切割方面,成果更加顯著。主要分為以下三個階段:


第一階段:早在20世紀70年代中期,我國就開始激光切割試驗,到70年代末,中科院長春光機所就為成都飛機制造廠安裝了中功率(500W左右)激光器,用于切割飛機零件。1976年,由中科院長春光機所、長春第一汽車制造廠轎車分廠等單位合作研制的CO?激光機成功地應用于“紅旗”牌轎車的覆蓋件的切割,這是我國激光切割發展的第一階段。


第二階段:從20世紀80年代中期開始,上海、株洲和天津等地先后全套引進高功率(1500 W左右)激光切割系統,較廣泛地把激光切割新工藝引人了我國的工業制造領域。


第三階段:20世紀90年代以后是激光切割發展的第三階段,開始發展中、高功率的,具有適合切割光束模式的快流CO?激光系統(包括激光器、切割機床和數控系統)為工業界服務。


激光加工技術除被列入國家重點科技攻關外,它也被列人國家自然科學基金、國家863計劃、國家火炬計劃等項目。為了推動激光加工產業化的進程,我國還建立了三個國家級的激光加工中心。它們分別是:國家科委組建的“國家固體激光工程技術研究中心”,依托于電子工業部第十一研究所,山國家計委組建的“激光加工國家工程研究中心”,依托于華中科技大學激光技術與工程研究院:由國家經貿委組建的“國家產學研激光加工技術中心”,依托于北京市機電研究院和北京工業大學。


在激光切割方面。目前基本上集中在平板切割,主要是用于覆蓋件的下料和樣板切割,而在激光三維切割方面的應用研究才開始起步。國家自然科學基金委在1997年把“大功率CO?及YAG激光三維焊接和切割理論與技術”作為重點項目進行資助。國家產學研激光技術中心的有關學者對此進行了系統的研究,為在我國汽車車身制造業中應用三維激光立體加工技術做出了很大貢獻。該中心擁有從德國 TRUMPF 公司引進的具有20世紀90年代國際水平的6000 kW Turbo 型CO?激光器及與之相配套的五軸聯動激光加工機,可實現對零件的五面體切割和焊接;從Hass公司引進的500WYAG激光器及六軸機械手和光纖傳輸系統,可實現工件空間任意位置的切割和焊接。該中心為一汽轎車公司、寶山鋼鐵公司等國有大型企業的技術改造,開展了重大工程項目攻關。其中,開發“紅旗”加長型轎車覆蓋件的三維激光制造工藝技術,在我國轎車生產中是首次采用;在汽車用薄厚鋼板激光大拼板拼接工藝試驗研究中,首次采用了激光切割替代精裁的工藝技術,取得了較好的技術經濟效果:在企業方面,柳州微型汽車廠也已經有了五軸CO2激光加工機;上海大眾汽車公司新的桑塔納生產線也在引進高功率YAG三維加工系統;濟南鑄鍛研究所為一汽開發的六軸CO?激光加工機也已進人運行階段,用作轎車車身的切割成形。


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