• 2020第二十一届江苏国际智能装备制造业博览会

    2020 21th Jiangsu International Intelligent Equipment Manufacturing Industry Exposition
    时 间:2020年03月27-29日 地 点:南京国际博览中心
    主办单位:江苏省机械工程学会
    协 办:江苏省机械工程学会机械设计与传动分会
    江苏省机械工程学会无损检测与失效分析分会
    承办单位:南京凤凰展览有限公司

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    钣金工艺中的激光加工技术应用

    时间:2020/2/8 14:22:40    浏览次数:31    字体:   

    剪板、冲裁、折弯都是传统的钣金工艺方法,使用这些方法加工时都离不开模具,往往在一个产品的生产过程中需要配备的模具有几十套上百套。大量使用模具,不仅增加了产品的时间成本和资金成本,而且模具本身的回弹效应,还会降低产品加工的精确度,影响产品的重复性,还不利于生产工艺的变更,不利于生产效率的提高。随着市场竞争压力的增大,传统钣金工艺已不能够满足市场的需求,急需一种新型的加工方法来改变这种局面。激光加工技术是一种全新的无模具加工技术,将激光加工技术应用到钣金工艺中,能够节省大量模具,缩短生产时间,减少生产成本,增加产品的精确度,是适应市场发展需要的新型工艺技术。


    1 激光加工技术的特点


    激光是一种相干光源,具有单色性、平行性和相干性的特点,能量密度高,方向性好。激光束聚焦在被加工材料表面的某一点时,激光的光能会瞬间转化为热能,产生上万摄氏度的高温,再坚硬的材料都会在瞬间达到熔点温度迅速熔化,温度再继续升高达到沸点,材料发生汽化,使得被切除的地方形成了一个小孔洞,被切除的余料在汽化过程中被蒸发掉,没有残余。激光加工材料的过程实际上是待加工材料局部因温度急剧迅速升高持续发生液化和汽化现象的过程。


    激光加工技术可以实现传统的钣金加工方法难以完成的零件加工。当要在一个箱体较大的钢件上钻许多大小不一的孔时,传统钣金工艺方法无法做到,但激光加工技术就能够轻松完成。而且,在连续加工同样的零件时,激光加工技术比传统工艺技术的准确度更高,速度更快,市场竞争力更强。


    在二维平面中,激光加工更有柔性。例如在使用激光切割机切割时,工件是固定的,切割机的割头是可移动的,这样不仅可以避免加工出现死角,提高加工材料的利用率,还能够简化加工设备。激光加工设备不是靠控制零件、设置模具或改变加工路线来进行加工的,而是由计算机系统整体控制来完成的,因此,激光加工工艺中不存在刀具的磨损、变形等问题,过程可以能够通过数控来完成,而且完成精度高,质量好。


    2 钣金工艺中的激光加工技术


    2.1 激光切割技术


    近年来,激光切割技术的应用十分广泛,据相关技术研究分析表明,激光切割技术占激光加工技术的近70%。激光切割机主要由激光器、机床主体和控制系统三大部分组成,常用于激光切割的有CO2激光器和YAG激光器,其特点是切割精度高。根据切割要求不同,激光光源的功率从5w到90KW不等,切割钣金工件所采用的激光光源功率一般是在100W到1500W之间。当切口宽度要求在0.15mm至0.2mm之间时,激光光源的输出功率应该小于1500W,此时激光光源的振荡模式为单模振荡,切割面也会相对比较平整;当切口宽度在Imm左右时,激光光源的输出功率应选择大于1500KW,此时激光光源的振荡模式为多模振荡,切割面会留下少许污物。当在使用激光技术切割厚板时,则需要采用空气、氧气、氮气等辅助气体来配合完成,氮气是一种惰性气体,用它来辅助切割,能够有效避免切面发生氧化;在对厚度较大的板进行切割的时候,使用氧气作为辅助气体,能够加快切割的速度。


       激光切割工艺中可使用CAD技术结合CAM技术来提供加工工件所需要的工艺参数和加工信息,高效、连续地完成自动化切割和生产。激光切割不需要大量更换模具,工艺参数变更简单,可广泛应用于各种高硬度、高熔点、硬质、脆性、粘性、柔性材料及薄壁管件的切割,而且还具有切缝窄、速度快、热变形小、切口平整的优良特性。


    2.2 激光打孔技术


    激光打孔技术是最早大规模运用到实际生产中的激光加工技术。和电子束打孔、超声波打孔、电化学打孔、射流打孔、电火花打孔、机械打孔等方法相比,激光打孔技术明显表现出了通用性强、效率高、成本低、效果好的优良特性,孔的平均精度为±0.02mm,表面粗糙度Ra约为1.6μm,若是采用数控激光打孔,孔的精度能够达到5μm,精确度极好。


    在钣金工艺中,激光打孔所采用的激光是功率密度为104至105KW/cm2的脉冲激光,作用时间只有0.01至1μs,能够加工出直径为1μm的小孔。激光打孔技术不仅能够精准地打出与表面成各种不同角度的孔,而且对薄壁材料、复合材料、脆性材料、粘性材料等各种不同性质材料的工件都能够打深小孔和微小孔。


    在用激光技术对钣金工件打孔时,孔直径的大小主要取决于激光聚焦光斑的大小,通常可以通过激光的功率密度和钣金工件的热系数计算得到固体激光打孔的最大孔深。不是所有的工件都适合采用激光打孔。对于那些激光反射能力强、导热性能好、熔点高蒸汽压力低的工件,采用激光打孔效率很低;激光打孔的孔径一般都在1μm至1.524mm之间,当孔径大于1.524mm时,应该采用激光套料法打孔;在加工大孔和台阶孔时,不能采用激光打孔。


    2.3 激光焊接技术


    激光焊接技术近年来迅速发展并广泛应用于航天、航空、汽车工业中,可以焊接各种金属、合金、复合材料和陶瓷材料。与传统的焊接方法相比,激光焊接方法可使单位长度的焊缝在瞬间迅速获得更大密度的能量,焊接速度更快,焊缝受到热量和形变的影响更小,焊接头的物理力学性能不会因焊接而变差。


    当功率密度为100至1000KW/cm2的激光作用在金属材料上,进行激光焊接的过程为:金属熔化一产生液态熔池一形成空洞一金属汽化一蒸汽压力扩张一形成焊缝。激光焊接的焊缝深度及形状受金属材料的热力学性能影响。一般情况下,激光束与液态熔池外表面张角在70°左右时能量密度最大,焊缝深度也最大,此时连续激光焊接速度V与焊接深度H形成正比例关系。当激光焊接的输出功率在0.1至5KW之间时,焊机速度V与输出功率P呈线性关系。


    2.4 激光成形技术


    激光成形技术作为一种无模具成形的新技术近年来已有所发展。传统的钣金工艺成形方法有冲裁、弯曲和挤压等,但这些方法对模具的依赖性很强,而激光成形技术让钣金工艺实现了无模具生产的可能,目前常用的激光成形技术有激光冲击成形技术和激光弯曲成形技术。


    激光冲击成形技术是指利用激光对钣金工件的覆盖层进行照射,通过覆盖层受热蒸发产生冲击波而达到使工件发生塑性形变目的的技术。在对工件进行激光冲击成形操作之前,需要做以下准备工作:首先,在工件表而涂一层不透明的材料,如黑漆,形成覆盖层;然后,在覆盖层上方覆盖一层透明物质,比如水,形成透明层。然后使用激光照射,激光透过透明层照射在覆盖层上,覆盖层吸收了激光的能量,一部分覆盖层材料受热蒸发后,仍然吸收着激光的能量,激光的能量转化为蒸汽的内能,蒸汽立即变成了高压气体。由于透明层的限制,高压气体形成冲击应力波,一部分作用在工件上,使工件发生形变,另一部分穿透透明层作用在工件表面,使得表层产生残余压应力,使工件表面得到强化。虽然在这个过程中会有大量的热量产生,但是一般工件表面温度只有150摄氏度左右,而且持续的时间也只有零点几秒,材料的微观结构没有改变,激光冲击成形技术是一种冷加工工艺技术,适合用于自动化生产中。


    激光弯曲成形技术是指钣金工件的局部表面在激光光束的照射下受热,再使用冷却水等冷却介质将工件迅速冷却,使局部产生温度应力而产生形变的技术。激光弯曲成形所需要的时间长短取决于工件的材料特性和工艺参数,零件的形变方式和形变程度是由计算机程序来控制的,故激光弯曲成形工艺中,要注意及时维护计算机数据库和物理影响因素库,确保信息的准确性和完整性。


    2.5 激光刻蚀技术


    由于激光刻蚀技术具有高效、节能、环保、无接触、无磨损、灵活性高、标记永久的特点,激光刻蚀技术已广泛应用于材料加工、制造、测绘、科研等众多领域。在钣金工艺中,若是要用激光刻蚀出理想的标记或符号,只需要在控制系统中设置好程序和参数即可达到目的,产品完全由设计思路来控制,可做到成本可控,产品可控,经济效益显著,而且全过程无污染,也符合绿色环保的要求。


    激光加工技术产品具有优质、高效、节能的优点,激光加工技术己逐渐使用到钣金工艺生产中,但激光技术的全而推广仍受技术理论和加工设备等因素的制约,许多方面的应用还有待进一步深入。