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激光材料加工未来发展展望
浏览: 发布日期:2018-01-19

从光源到解决方案—今天的工业实践

  四十多年来,激光器已经成功地用于各种工业应用领域,其中切割和焊接是最主要应用。另外也有淬火、熔覆及表面处理等其他重要的应用。下面我们将主要介绍切割和焊接应用的方案。

  早在1967 年,TWI 就展示了激光切割。现在激光切割仍然主导着金属板材切割、管道和轮廓切割、汽车车身部件的三维切割等宏观应用;此外激光还用于切割非金属材料,如安全气囊、塑料显示器、砂纸、模具模板等。

CO2 激光器是切割应用的理想激光源之一:高光束质量(3.5~8 mm?mrad)下的高连续(CW)功率,能在高于1 kHz 的频率下产生脉动,比灯泵浦固态激光器的效率高三倍,可靠性更高。最初,快速轴流激光器是首选,因为其相比于横流激光器能提供更加对称和更好的光束质量,但是这两种类型的激光器在市场上都依然存在。CO2 板条激光器的优势主要来自于其光束质量:对于较薄和中板厚度的板材,它们能比低光束质量的激光器获得更高的切削速度。

  当光纤输出的高功率Nd :YAG 激光器出现以后,这些切割应用便能通过波长为1 μm 的激光器与机器人结合得以实现。最初使用的是高平均功率的脉冲灯泵浦Nd :YAG 激光器,后来使用的是连续灯泵浦Nd :YAG激光器。一直以来人们都希望基于半导体泵浦的Nd :YAG 棒激光器能实现一大突破:在设计上达到与CO2激光器相当的转换率(通常为10%)。通过采用300μm的先进光纤和12mm mrad的光束质量,该款激光器所具有的优质切割质量和高效的切割速度对多种应用具备吸引力。

  最新开发的半导体泵浦光纤激光器和碟片激光器具有约30%的典型电光转换效率,其光束质量通常与基模状态下的CO2 激光器相当,甚至更好。光纤激光器是目前最先进的切割光源,其通过“全光纤”方式生成光束并将其传输到激光切割头。

  当考虑使用这些激光器来切割金属板材时,一些意想不到的看法,引起了对切割工艺调查的兴趣:

  ● 对于一般的金属板材切割应用,单模光束质量并没有被使用。

  ● 薄片可以非常有效地切割,没有CO2 激光器典型的等离子体作用

  ● 铝能被快速可靠地切割,但是板条CO2 激光器能获得更好的切割质量

  ● 中等厚度和大厚度的不锈钢板材,不能获得CO2 激光切割实现的典型切割质量

  ● 光学元件的任何污染都将严重影响切割结果——操作者和系统制造商需要满足洁净需求

  ● 对安全防护罩的更高需求,增加了系统成本

  由于快速、精确的激光功率切割系统控制,受益于CNC 针对部件加工而控制开发的准自动化设计,这使得市场能够及时提供切割样品。

  如今,平板(飞行光路)系统、激光打孔两用系统、管材和型材切割系统、5 轴3D 切割系统和基于机器人解决方案,都是可靠的工业生产工具,它们可以配备CO2激光器或光纤激光器。

 激光焊接解决方案需要考虑到部件准备、机械接合、夹紧等因素,激光焊接在根本上是不同于激光切割的。

  因此,更多的系统制造商针对他们的特定市场提供特殊的解决方案。

  在汽车行业的率先应用

  ● 1973 年——福特采用配备3 kW CO2 激光器的车身底部焊接系统

  ● 1976 年——菲亚特开发用激光焊接同步齿轮

  ● 1979 年——通用用CO2 激光器焊接不锈钢

  ● 1980 年——丰田和本田使用富士配备CO2 激光器的3轴系统用于冲模更换

  ● 1983 年——蒂森钢铁用1 kW 的CO2 激光器焊接两块镀锌钢板。这是首个“拼焊板”。

  ● 1984 年——福特(Saline)采用500 W CO2 激光器修剪塑料仪表板

  ● 1986 年——宝马使用配备CO2 激光器的5 轴龙门架焊接车顶

  八十年代后期应用激光焊接的进一步例子是汽车行业中的气门挺杆、燃油过滤器、减震器及齿轮的焊接。在九十年代早期,开始是通过CO2 激光器结合铰链式反射镜臂和机器人,实现了车顶焊接;后来通过使用柔性光纤和灯泵浦Nd :YAG 激光器实现车顶焊接。

随着激光源实现了更高的可靠性、更高的效率和更好的光束质量,以及新技术的涌现,使得激光加工市场拓展到了更广泛的新领域,如:

  ● 差距、车轴(填丝,感应前,后热处理)

  ● 金刚石锯片

  ● 拼焊板,一维,二维,刀具硬化(铝硅涂层的烧蚀)

  ● 激光焊接管材,主要由板条CO2 激光器连续焊接

  ● 热交换器(夹紧技术)

  ● 铝合金焊接:燃油滤清器、汽车车身、混合激光焊接(光束质量好,功率稳定)

  ● 机身部分的铝合金焊接(空中客车,板条CO2 激光器)

  ● 复合金属板设计,采用激光焊接,如排气部件(自动化)

  ● 喷油嘴焊接(光束质量)

  ● 基于扫描仪的焊接技术(光束质量)

  —远程焊接系统(座椅结构,板条CO2 激光器)

  —远程飞行扫描焊接(白车身焊接,光纤/ 碟片激光器)

  —热交换器的扫描焊接

  大多数的应用可以通过CO2 激光器或光纤激光器系统实现。今天的CO2 激光焊接过程,具有更少的飞溅产生,这使得它们成为动力系统应用或是管道焊接应用的首选。光纤激光器的效率、波长和最少的维护需求,加之灵活的光纤传输,使得光纤激光器是一种经济的工具选择。

  工业激光器的未来

  如今,面向宏观应用的激光技术已获得了良好的发展,并日趋成熟,比起变革,更多的将是根据市场的需求进行性能上的改进。有专家预计新一代高效率的半导体激光器,可以具备更高功率的光束,以用于一般的切割。由于新一代光纤激光器在效率、成本、适用性、和可靠性方面已经设立了较高的标杆,因此对于新一代半导体激光器而言,在这些方面具备更明显的优势是其面临的一大挑战。成熟应用市场还会继续增长,并向新领域不断拓宽,尤其是焊接领域,以及激光增材制造、远程切割等新应用领域。

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