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光纖激光器

SPI脈沖光纖激光器在金屬切割中的應用

激光制造網(wǎng)通訊員 來源:科藝儀器2011-01-27 我要評論(0 )   

簡介 雖然納秒脈沖光纖激光器通常被用于激光打標,但是由于納秒脈沖光纖激光器的成本較低,緊湊,可靠,不需要經(jīng)常維護,所以用它也非常適合用來進行蒸發(fā)切割。通過采用...

 
簡介
雖然納秒脈沖光纖激光器通常被用于激光打標(laser marking),但是由于納秒脈沖光纖激光器的成本較低,緊湊,可靠,不需要經(jīng)常維護,所以用它也非常適合用來進行蒸發(fā)切割。通過采用直接調(diào)制種子激光的MOPA(主控振蕩器的功率放大器)等設計,我們可以得到短脈沖和相對高的峰值功率,這些技術(shù)都把激光器變成切割金屬有效的加工工具。
作為一種連續(xù)波型切割器的替代品,脈沖光纖激光器可以應用于多通蒸發(fā)式切割過程中,監(jiān)測裝置控制激光來回通過切割線,每次僅切除很少的金屬,并且不需要噴嘴和輔助氣體。這項技術(shù)提供了一個靈活、精確和合理的解決方案。而且這套設備基本上是一套簡單的激光標記系統(tǒng)。
這項切割技術(shù)可以廣泛適用于各種材料,從有色金屬、非有色金屬,到陶瓷、高分子材料甚至含碳復合材料,都涵蓋其中。切割速度可以很方便的改變,對于薄金屬板,可以做到小于10mm/min,對于厚的材料,切割速度可以大于1mm/min。當用于切割比較厚的金屬時,必須采用切割線補償或光束擺動等特殊技術(shù)來有效的擴大切口寬度。相對于傳統(tǒng)激光切割(laser cutting),這些速度可能會比較慢,但對于很多應用來說,納秒脈沖光纖激光器的低成本和靈活性是非常具有吸引力的。
實驗結(jié)果表明,SPI激光器的所有SM/HS/HM型號都可以實現(xiàn)有效切割,但是每種機器的切割特點會略有不同,這與材料的選擇和要求的輸出有關。以窄切縫寬度為例,具有高品質(zhì)光束和較小光斑的SM型激光器最為適合,而對于較厚的材料,采用具有更高峰值功率和較大尺寸光斑的HM型效果會更好一點。
鋁材料
純鋁和鋁合金應用相當廣泛,一些小的復雜的零件可以從比較厚的材料中切割出來而得到。(圖1)完成之后的表面不產(chǎn)生拉絲那樣的很大的影響,拋光部分同樣可以被切削的很好。最厚到2mm的零件都可以這樣切割成型,但是速度會比較慢。

 
圖1 切割樣品包括:1.2mm 鋁質(zhì)薄板,0.2mm錫鋼薄板

0.5mm和2mm拋光鋁(Newson Engineering NV提供)

不銹鋼
不銹鋼是一種應用非常廣泛的材料,特別是在醫(yī)療工業(yè)中,對切割精度的要求非常高。對于0.5mm厚的304級材料,采用一個簡單的掃描系統(tǒng),就可以使切割速度大于20mm/min的同時獲得很好的切割質(zhì)量。但是,采用40W的HM型激光器,配備固定的切割頭和同軸輔助氣體,在200μm的不銹鋼上的切割速度可以達到大于1.5m/min!(圖2)
2 —采用40W HM 加工200um厚不銹鋼薄板
速度1.5m/min
鈦材料
薄的鈦板很容易切割,對于工程應用,必須要注意確保邊緣氧化不會影響切邊的質(zhì)量。然而,對于那些對技術(shù)功能要求不高的應用,比如裝飾用的珠寶,這種過程就比較理想,同時可以結(jié)合顏色標記。
 

圖3 鈦工藝珠寶 300um厚,采用20W HS激光器切割

速度1-2mm/s
高反光材料
銅,黃銅,銀和金都有著極高的反射率和電導率,因此這些材料通常被認為非常難以切割。需要很高的功率密度來啟動切割過程,但用納秒光纖激光器很容易進行切割。
黃銅通常被認為是一種難以采用激光切割(laser cutting)的材料,它通常被當作切割黃金前的實驗材料,用于測試和研究切削參數(shù)。只要有足夠的峰值功率,相當厚甚至最高1mm的材料都可以用20W HS型激光器來完成切割,并且質(zhì)量非常好,如果采用40W HM型激光器,可加工的最大厚度可達到2mm。(圖4)
圖4 采用20W HS型激光器加工的0.8mm厚黃銅齒輪,耗時7分鐘
(該圖由Orotig srl提供)
很多工程應用都需要切割銅,特別是電氣和電子領域,尤其是金屬薄板材料。雖然材料具有高反射率及高導電性,但是耦合入金屬的高峰值功率使得切割精度變得非常高,且無毛刺(圖5)。一個新興的應用是PCB板上的沉淀軌跡銅切割,因為在板上對導電軌道切割有一定要求。
圖5 使用20W HS激光器進行銅薄板切割(由Miyachi Unitek提供)
比如銀和黃金等貴金屬,我們可以使用脈沖激光進行切割,因為這種技術(shù)可以完成非常復雜的形狀,而且材料浪費率非常低,這對珠寶商無疑是非常有吸引力的。下圖是一個直徑為20mm的質(zhì)量優(yōu)良,非常華麗的銀盤,它就是用20W HS激光器切割出來的。(圖6)
圖6 0.55mm厚銀盤,使用20W激光器在13分鐘內(nèi)切割成型(由Orotig srl提供)
 
總結(jié)
納秒脈沖光纖激光器非常適合應用在蒸發(fā)切割當中,以上的例子表明,很多種金屬都可以由激光器來完成切割,這也顯示出這種激光器是多功能的。
 

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