5 Инновационное применение лазерных технологий в промышленном производстве | MachineMFG

5 Инновационные применения лазерных технологий в промышленном производстве

0
(0)

В середине XX века появилась лазерная технология. С годами, благодаря упорному труду и самоотверженности многих поколений ученых и техников, лазерная технология развивалась и совершенствовалась. Начиная с ранних этапов развития и заканчивая практическим применением в различных областях, лазерная технология достигла значительного роста и успеха.

В XXI веке лазерные технологии, особенно лазерная обработка Технология, применяемая в промышленности, получила широкое распространение и оказала существенное экономическое и социальное влияние. Она сыграла важную роль в развитии естественных наук и техники, а также в прогрессе социальной экономики.

Принцип лазерной обработки

Технология лазерной обработки, как показано на рисунке 1, создает лазерный луч с высокой плотностью энергии путем фокусировки энергии света через линзу. Эта технология использует уникальные свойства взаимодействия лазерного луча и материала для различных целей, включая резку, сварку, обработка поверхностиПробивка, штамповка и микрообработка металлических и неметаллических материалов.

Принципиальная схема лазерной обработки

Рис.1 Принципиальная схема лазерной обработки

Технология лазерной обработки, являющаяся передовой технологией производства, широко используется в таких отраслях, как автомобилестроение, электроника, авиация, металлургия и машиностроение. Она играет важнейшую роль в повышении качества продукции, увеличении производительности труда, развитии автоматизации, снижении загрязнения окружающей среды и потребления ресурсов.

Среди различных областей применения лазерная резка, лазерная маркировка и лазерная сварка являются наиболее часто используемыми.

Применение лазерных технологий

Лазерная резка

Традиционные методы резки, такие как газовая резкаМеханическая резка, резка заготовками и плазменная резка - все они имеют свои ограничения. Несмотря на высокую скорость резки и возможность резать более толстые материалы, точность размер резки часто бывает некачественным. Это приводит к повышению стоимости резки и дополнительным расходам на обработку.

Механическая обработка резанием обеспечивает высокую точность, но ее медленная резка скорость ограничивает возможности резки сложных кривых. Кроме того, во время резки происходит значительная потеря материала.

Заготовительная резка более эффективна и экономична, но ее качество обработки ограничено, а область применения узка. Качество резки оставляет желать лучшего, особенно при обработке толстых листов и сложных криволинейных форм.

В то время как плазменная резка является более эффективным, он создает лучшую часть реза, чем другие методы, но его точность резания ограничена миллиметровым уровнем. Поэтому он подходит только для черновой и получистовой обработки.

Лазерная резка

Рис.2 Лазерная резка

По сравнению с традиционной технологией резки преимущества технологии лазерной резки (рис. 2) очевидны:

  • Высокая скорость резки
  • Высокая эффективность
  • Широкий диапазон обработки
  • При обработке надрезы получаются ровными, поскольку вместо традиционного инструмента или пламени используется световой луч. Дополнительная обработка не требуется.
  • Зона термического воздействия при резке невелика.
  • Небольшая деформация листа
  • Небольшой режущий шов (высокий коэффициент использования)
  • Отсутствие механического напряжения в разрезе
  • Без заусенцев
  • Высокая точность обработки
  • Хорошая повторяемость
  • Не повредите поверхность пластины
  • Программирование ЧПУ
  • Не нужно открывать форму
  • Экономия средств и времени

Сайт преимущества лазерной резки особенно заметны при обработке кривых. По сравнению с заготовительной резкой поверхность, получаемая при лазерной резке, гладкая и не имеет явных следов от лезвия на криволинейных деталях. Кроме того, поскольку пластина остается неподвижной во время обработки, исключается риск появления царапин, вызванных движением.

Лазерная резка осуществляется путем направления сфокусированного, высокогоплотность мощности лазера луч на заготовку, в результате чего материал быстро плавится, испаряется, расплавляется или воспламеняется. Затем заготовка разрезается путем сдувания расплавленного материала высокоскоростным потоком воздуха вдоль той же оси, что и луч.

Лазерная резка считается одним из методов термической резки.

Лазерную резку можно разделить на четыре категории:

  1. лазерная испарительная резка
  2. лазерная резка плавлением
  3. лазерная кислородная резка
  4. Лазерное скрайбирование и контроль разрывов

(1) Лазерная испарительная резка

Лазерная вапоризация - это процесс, при котором заготовка нагревается лазерным лучом с высокой плотностью энергии. Температура материала быстро повышается и за короткий промежуток времени достигает точки кипения, в результате чего материал испаряется и образует пар. Пар быстро выводится, в результате чего в материале образуется надрез. Этот метод в основном используется для резки очень тонкого металла и неметаллические материалы.

(2) Лазерная резка плавлением

При лазерной плавильной резке металлический материал расплавляется под действием лазерного нагрева. Затем неокисляющий газ, такой как Ar, He или N2, распыляется из сопла вдоль той же оси, что и луч. Жидкий металл вытесняется мощным давлением газа, образуя надрез. Этот метод требует лишь 1/10 энергии, необходимой для испарения, поскольку металл не должен быть полностью испарен. В основном он используется для резки неокисляемых или активных металлов, таких как нержавеющая сталь, титанАлюминий и сплавы.

(3) Лазерная кислородная резка

Лазерная кислородная резка работает по принципу, аналогичному оксиацетиленовой резке. Лазер используется в качестве источника предварительного нагрева, а кислород или другие активные газы - в качестве режущего газа. Газ, образующийся в струе, вступает в реакцию окисления, выделяя большое количество тепла. Расплавленный оксид и расплавленный материал выбрасываются из зоны реакции, в результате чего в металле образуется надрез. Лазерная кислородная резка требует лишь половину энергии, необходимой для резки плавлением, но при этом имеет гораздо более высокую скорость резки. В основном она используется для резки углеродистой стали, титановой стали, стали для термообработки и других легко окисляемых металлических материалов.

(4) Лазерное сканирование и контроль разрывов

При лазерном скрайбировании лазер с высокой плотностью энергии сканирует поверхность хрупких материалов, нагревая материал до образования небольшой канавки. При приложении давления хрупкий материал растрескивается вдоль канавки. Среди первых трех упомянутых методов резки лазерное скрайбирование и контроль разрывов используются реже.

В настоящее время лазерная резка наиболее эффективна для резки черного металла, с высокой скоростью резки и возможностью резки до толщины 20 мм и более. Однако из-за эффекта отражения молекулярной структуры цветных металлов на лазерном луче эффект резки этих материалов несколько слабее. Станок должен быть оснащен отражателем.

Согласно статистике, максимальная толщина, которую можно вырезать для алюминиевые сплавы составляет не более половины от аналогичного показателя для черного металла, а режущее действие на медные сплавы, особенно на медь, еще хуже.

Основой технологии лазерной резки является лазерный генератор, который бывает двух видов: CO2-лазер и волоконный лазер генератор.

Лазерный генератор CO2: Лазерный генератор CO2 генерируется путем разряда смеси CO2, He и N2 в лазерном резонаторе под высоким давлением. Этот процесс возбуждает атомы в смеси, высвобождая энергию, которая затем выводится в виде фотонов или электронов для создания лазера. Лазер, излучаемый CO2-лазером, - это видимый свет, который может вызвать небольшое повреждение сетчатки и кожи. Поэтому операторам рекомендуется надевать защитные очки при его использовании.

Генератор волоконного лазера: A волоконный лазер Генератор использует в качестве среды усиления стеклянное волокно, легированное редкоземельными элементами. Под действием света накачки в оптическом волокне легко формируется высокая плотность мощности, которая заставляет уровень лазерной энергии рабочего вещества изменять число частиц. Для формирования выходного сигнала лазерного осциллятора добавляется петля положительной обратной связи. На выходе получается не видимый свет, который может вызвать серьезные повреждения сетчатки и кожи, поэтому во время работы оператор должен носить специальные защитные очки.

CO2-лазер имеет более сложную структуру оптического тракта и большие потери оптической линзы, с более высокими требованиями к окружающей среде (меньше пыли). Установка должна быть изолирована от очагов землетрясений и храниться в сухом помещении с постоянной температурой. Сайт волоконный лазерС другой стороны, он имеет простую структуру оптического тракта и более низкие требования к окружающей среде (высокая устойчивость к пыли, вибрации, ударам, температуре и влажности). Сайт волоконный лазер быстрее при резке тонких пластин, в то время как CO2-лазер сильнее при резке толстых пластин. CO2-лазер не может резать металлические пластины с высоким отражением, но волоконный лазер может резать тонкие медные пластины.

Лазерная сварка

Лазерная сварка (рис. 3) является важной областью лазерной технологии.

Лазерная сварка

Рис.3 Лазерная сварка

Лазерная сварка Это новый вид сварки, при котором для нагрева небольших участков материала используются высокоэнергетические лазерные импульсы. Энергия от лазерное излучение за счет теплопроводности проникает в материал, заставляя его плавиться и образовывать специфическую расплавленную ванну. Этот метод в основном используется для сварки тонкостенных материалов и прецизионных деталей и может применяться для различных виды сварки такие как точечная сварка, стыковая сварка, сварка в штабеля и сварка с уплотнением.

Основные характеристики включают:

  • Высокое соотношение глубина-ширина
  • Малая ширина сварного шва
  • Небольшая зона теплового воздействия
  • Небольшая деформация
  • Высокая скорость сварки
  • Ровный и красивый сварочный шов
  • Нет необходимости обрабатывать или просто обрабатывать после сварки
  • Высокий сварной шов качество
  • Нет газового отверстия
  • Точное управление
  • Маленькая лампочка фокусировки
  • Высокая точность позиционирования
  • Простое внедрение автоматизации

Лазерная сварка широко используется в различных областях, особенно в производстве высокоскоростных железных дорог и автомобилей, благодаря своим многочисленным преимуществам. К ним относятся:

(1) Минимальное количество тепла, небольшой диапазон металлографических изменений в зоне термического воздействия и минимальная деформация, вызванная теплопроводностью.

(2) Возможность подтвердить и сократить время, необходимое для толстого сварка пластинДаже отпадает необходимость в использовании присадочного металла.

(3) Отсутствие необходимости в электродах, отсутствие опасения загрязнения или повреждения. Кроме того, он не относится к контактным процесс сваркиминимизируя потери и деформацию крепежа.

(4) Лазерный луч можно легко сфокусировать, выровнять и направить с помощью оптических приборов, при этом его можно разместить на нужном расстоянии от заготовки и перенаправить в обход препятствий.

(5) Возможность размещения заготовок в закрытых помещениях, контролируемых вакуумом или внутренней газовой средой.

(6) Лазерный луч может быть сфокусирован на небольших участках, что делает его идеальным для сварки небольших и разнесенных деталей.

(7) Возможность сварки широкого спектра материалов и сваривания различных разнородных материалов.

(8) Легкая быстрая и автоматическая сварка или управление с помощью цифровых или компьютерных технологий.

(9) При сварке тонкого материала или проволоки тонкого диаметра, это будет не так просто, как дуговая сварка.

(10) Не подвержен влиянию магнитных полей и способен точно выравнивать сварочные детали.

(11) Способность сваривать два металла с разными свойствами, например, с разным сопротивлением.

(12) Возможность достижения соотношения глубины шва 10:1 при перфорированной сварке.

(13) Возможность передачи лазерного луча на несколько рабочих станций.

Благодаря вышеперечисленным характеристикам лазерная сваркаЛазерная сварка широко используется в сфере производства гражданских автомобилей.

Лазерная сварка является основным процессом сварки при производстве высокоскоростных железных дорог и автомобилей.

Несмотря на свои преимущества, лазерная сварка имеет и ряд недостатков, которые следует учитывать. К таким недостаткам относятся:

(1) Необходимость точного позиционирования свариваемых деталей в зоне фокусировки лазерного луча.

(2) Необходимость использования зажимов, обеспечивающих выравнивание конечного положения сварного шва с точкой сварки, на которую будет воздействовать лазерный луч.

(3) Ограниченная максимальная свариваемая толщина, при этом лазерная сварка не подходит для материалов с толщиной проплавления более 19 мм.

(4) Влияние лазерной сварки на свойства материалов с высокой отражательной способностью и высокой теплопроводностью, таких как алюминий, медь и сплавы.

(5) Использование плазменного регулятора для удаления ионизированного газа вокруг расплавленной ванны при использовании сварки высокоэнергетическим лазерным лучом.

(6) Низкая эффективность преобразования энергии, обычно менее 10%.

(7) Быстрое застывание сварная шайба что может привести к пористости и охрупчиванию.

(8) Высокая стоимость.

Высокая стоимость оборудования для лазерной сварки является существенным ограничением и сдерживает его широкое применение.

Лазерная гравировка

Лазерная гравировка подразумевает использование высокоэнергетического лазерного луча, управляемого компьютером, для мгновенного расплавления или испарения поверхности изделия, создавая желаемый текст или логотип, как показано на рисунке 4.

Лазерная надпись

Рис.4 Лазерная надпись

Лазерную гравировку также называют лазерной маркировкой.

Характеристики лазера маркировка:

  • Фирма постоянно
  • Красивый дизайн
  • Высокоскоростной и эффективный
  • Бесконтактный режим
  • Высокая точность повторения
  • Нет необходимости делать формат
  • Нет загрязнения
  • Легко добиться синхронного полета печати с производственной линией.

Материалы, которые можно маркировать с помощью лазерной гравировки, включают цифры, буквы, китайские иероглифы, графические изображения, штрих-коды и многое другое.

Лазерная гравировка - это широко распространенный и передовой метод маркировки, который хорошо подходит для современного высокоскоростного производства.

Как показано в таблице 1, сравнение различных технологий маркировки показывает, что преимущества технологии лазерной маркировки очевидны.

Таблица 1. Сравнение нескольких методов маркировки

Маркировочная техникаПроизводительностьЭффект и точностьЦвет маркировкиИзменения графикаРасходные материалы
Лазерная маркировкаХорошоВысокая точность и хороший эффектОпределяется материаломПо желаниюНет
Химическое травлениеХорошоНизкая точностьЦвет материалаНелегкоДа
Печать краскамиХужеВысокая точностьЛюбые цветаЛегкоДа
Механическая гравировкаЛучшеНизкая точностьЦвет материалаПо желаниюДа
Механический прессХужеНизкая точностьЦвет материалаНелегкоДа

Технология лазерного быстрого прототипирования

Лазерное быстрое прототипирование (как показано на рисунке 5) представляет собой значительное изменение в современной технологии производства.

Он представляет собой расширение применения лазерных технологий в промышленности.

Технология лазерного быстрого прототипирования

Рис.5 Технология лазерного быстрого прототипирования

Конкуренция в обрабатывающей промышленности обострилась с ускорением процесса интеграции глобального рынка, и скорость разработки продукции стала главным конкурентным противоречием. Чтобы удовлетворить постоянно меняющиеся потребности пользователей, обрабатывающей промышленности требуются более гибкие технологии, позволяющие производить небольшие партии или даже отдельные детали без увеличения стоимости продукта.

Технология быстрого прототипирования (Rapid Prototyping, RP) - это метод производства, при котором материал создается слой за слоем, или, в более широком смысле, компьютерная 3D-графика. Высокая температура, создаваемая лазером, используется для спекания металлического порошка в 3D-графике, в результате чего получаются металлические компоненты. Прототипы могут быть изготовлены непосредственно из трехмерных твердотельных моделей CAD за несколько часов или десятков часов.

Быстрое прототипирование обеспечивает более полное и интуитивное представление, чем чертежи и компьютерные экраны, особенно на этапе разработки продукта, позволяя всесторонне учесть различные факторы. Это приводит к сокращению циклов разработки, повышению качества продукции, снижению затрат и инвестиционных рисков.

В сочетании с точным литьем в литейном производстве технология лазерного быстрого прототипирования позволяет быстро изготавливать все виды восковых форм, используемых для точного литья крупных и сложных конструкций, сокращая расходы на аутсорсинг. При этом производство единичных или небольших партий точных отливок может осуществляться без формы, что позволяет сэкономить на стоимости оснастки и значительно сократить производственный цикл.

Разработка и производство новых изделий позволяет сэкономить драгоценное время и снизить производственные затраты, а уровень точного литья в литейных цехах повысился, заложив прочный фундамент для успешной работы в области точного литья. литейное производство в будущих продуктах.

Очевидно, что в будущем использование технологии лазерного быстрого прототипирования станет более распространенным.

Лазерная термообработка

Лазерная термообработка (как показано на рисунке 6) - это технология, которая предполагает использование лазера для нагрева поверхности металлических материалов с целью поверхностной термообработки.

Лазерная термообработка

Рис.6 Лазерная термообработка

Этот процесс может быть использован для целого ряда металлическая поверхность модификационные обработки, включая закалку (также известную как поверхностная закалка, поверхностная аморфизация, поверхностное переплавление и закалка), поверхностное легирование и другие модификации.

Результат лазерной обработки приводит к изменениям в составе, структуре и характеристиках поверхности, которые невозможны при обычном закаливании поверхности. После лазерной обработки поверхность твердость чугуна может достигать 60HRC, в то время как углеродистая сталь со средним и высоким содержанием углерода может достигать 70HRC.

Повышение твердости поверхности приводит к увеличению износостойкости, усталостной прочности, коррозионной стойкости, стойкости к окислению и продлевает общий срок службы металла.

Заключение

Благодаря многочисленным преимуществам технология лазерной обработки высоко ценится в промышленном производстве: она отличается низкой стоимостью, высокой эффективностью и широкими возможностями применения. Это привело к острой конкуренции между ведущими промышленными странами мира.

Лазерные технологии охватывают все новые области, и их развитие идет удивительными темпами. В таких крупных отраслях промышленности, как автомобилестроение, электроника, машиностроение, авиация и сталелитейная промышленность, некоторые страны полностью перешли от традиционных методов обработки к лазерной обработке и вступили в "век света".

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

2 комментария к “5 Innovative Applications of Laser Technology in Industrial Production”

  1. Дэррил Нестер

    Очень классный блог!!! Я добавлю ваш сайт в закладки и буду следить за развитием событий... Я рад найти много полезной информации в этом посте, нам нужно разработать больше стратегий в этом отношении, спасибо, что поделились. . . . . .

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх