Whitney公司常常應(yīng)客戶的需要，進(jìn)行新材料或特殊材料的光纖激光切割檢測(cè)與評(píng)估，截止目前已經(jīng)對(duì)航空航天業(yè)中使用的鋁及不銹鋼、轉(zhuǎn)子中使用的磁性材料、地板業(yè)中使用的鋅板以及許多其他材料進(jìn)行了測(cè)試。
與非熱加工工藝相比，光纖激光器在切割上述材料時(shí)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，以及與CO2激光器相比在切割高反材料時(shí)的優(yōu)勢(shì)有哪些？您將在本文中收獲答案。
客戶常會(huì)帶著他們?cè)诤娇蘸教臁}(cāng)儲(chǔ)設(shè)備制造、建筑與施工、交通等不同行業(yè)及部分特殊定制中需要使用的特殊材料找到Whitney進(jìn)行測(cè)試。盡管這些材料從未使用過(guò)光纖激光器進(jìn)行切割，客戶依然期待光纖激光器能夠勝過(guò)他們目前所采用的工藝。
墊片的成功應(yīng)用
Whitney近期測(cè)試了一種層壓材料，用于制作航空航天業(yè)所用的墊片，該材料的基材為0.762 mm，上面層壓了幾層0.076 mm的層壓材料，墊片的總厚度為1.524 mm。Whitney對(duì)不銹鋼材料及鋁材墊片進(jìn)行了測(cè)試。
“為了使墊片的厚度達(dá)到要求的精度，客戶可能還需要?jiǎng)冸x一兩層層壓材料，使墊片能夠精確地配合安裝空間”，Whitney全球銷(xiāo)售及產(chǎn)品專(zhuān)員Dale Bartholomew表示。
以前墊片是機(jī)械加工生產(chǎn)的。“機(jī)械加工的問(wèn)題是速度太慢了。”Bartholomew稱(chēng)：“而且機(jī)械加工很容易會(huì)使部分層壓層受到破壞，例如最上面一層會(huì)剝落。“因此，成本問(wèn)題及機(jī)械加工生產(chǎn)墊片帶來(lái)的種種問(wèn)題迫使客戶尋求更好的解決方法，譬如嘗試用光纖激光進(jìn)行切割。”
Whitney首先測(cè)試切割了小樣片以確定切割參數(shù)，然后進(jìn)行了實(shí)際部件的切割測(cè)試。通過(guò)使用多種方法進(jìn)行了測(cè)試，也包括從層壓層正面和背面分別切割時(shí)哪種方式能獲得更好的切割效果。“另外就是要精確地設(shè)置參數(shù)，已確保不會(huì)把切割邊緣焊接在一起，這是切割薄板時(shí)要特別注意的”，Bartholomew表示。“如果切割邊緣被焊在一起，你就無(wú)法剝離層壓層了。”
通過(guò)各種不同的參數(shù)對(duì)大量樣件進(jìn)行測(cè)試，從層壓層正面切割、背面切割、不同的切割速度，最終確認(rèn)光纖激光器能在避免焊接切割邊緣和破壞層壓層的情況下對(duì)墊片進(jìn)行切割。“這種情況下，我們的切割速度，從鋁質(zhì)墊片背面切割時(shí)，可以達(dá)到22.86 m/min，對(duì)不銹鋼墊片切割時(shí)，速度可以達(dá)到3.048 m/min”，Bartholomew說(shuō)道。
盡管Whitney已經(jīng)證明了光纖激光器可以切割墊片，但航空航天行業(yè)客戶自己必須進(jìn)行一些測(cè)試。“他們擔(dān)心疲勞性能，”Bartholomew說(shuō)道，“由于這些材料通常不用典型的熱加工切割，就必須測(cè)試切割工藝中的熱影響是否增加故障的可能性。很明顯通常采用的機(jī)械工藝不會(huì)產(chǎn)生熱影響。”
那么，切割薄片材料時(shí)光纖激光切割機(jī)需要如何做呢？其實(shí)你需要做的是如何連接激光光束傳輸系統(tǒng)。Bartholomew表示：“不同的光束直徑、準(zhǔn)直長(zhǎng)度，鏡片和焦距組合在一起會(huì)影響光束對(duì)材料的作用。調(diào)整好參數(shù)才能正確應(yīng)用。”
所有的因素會(huì)產(chǎn)生綜合作用，他補(bǔ)充道，“適合某種材料的參數(shù)或許在切割另一種材料時(shí)就需要進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于薄片材料，功率和聚焦鏡是最重要的因素。”
磁性材料
Whitney近期剛完成測(cè)試的另一種材料，是用于制造電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的層狀金屬中的磁性不銹鋼。零件具有復(fù)雜的外形，材料厚度僅有0.0635 mm，對(duì)容差有極為嚴(yán)格的要求。切割的每一片都必須精確地相同，然后再根據(jù)制造商的需求在兩片之間放入其他材料。
零件采用沖壓而成，需要精密的模具。“客戶正在尋求一種小批量切割工藝。”Bartholomew說(shuō)，“因?yàn)闆_壓的模具可能會(huì)非常昂貴，所以他們希望能夠找到一種不需要太快，但是操作成本更低的方式。”
通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器的參數(shù)調(diào)整，Whitney成功地對(duì)磁性材料進(jìn)行了切割，速度可達(dá)10.16 m/min。調(diào)整的參數(shù)包括功率、速度及焦距。輔助氣體壓力和噴嘴類(lèi)型也被進(jìn)行了優(yōu)化，用以取得最快的切割速度和最清潔的切割工藝。
光纖激光切割的挑戰(zhàn)不在于切割本身，而在于應(yīng)用。“材料本身的磁性不能被改變，”Bartholomew說(shuō)道，“因?yàn)槟菍⒏淖儾讳P鋼片跟馬達(dá)及磁場(chǎng)的相互作用。同樣，加工時(shí)材料表面的熱輸入將影響材料的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響磁性。”客戶正在測(cè)試其性能來(lái)確定用光纖激光器切割是否可行。
成型地板
Whitney近期進(jìn)行光纖激光器測(cè)試的第三種材料是純鋅板。要求測(cè)試的客戶用純鋅板制作線框，在制作花紋地板時(shí)用來(lái)固定瓷磚。切片厚度為6.35 mm，寬度為3.175 mm，具有復(fù)雜的形狀。
Whitney公司近日對(duì)用于制作花紋地磚的邊框的純鋅板進(jìn)行了光纖激光切割測(cè)試。
鋅板厚度為0.25 mm，寬度為0.125 mm，具有復(fù)雜的形狀。
通常會(huì)用水刀來(lái)切割線框，但是這種工藝比較慢，大約0.3556m/min。而Whitney用光纖激光器切割鋅板時(shí)，速度可以達(dá)到10.16 m/min。
切割復(fù)合材料的可能性
一種客戶要求但Whitney尚未進(jìn)行測(cè)試的是一種金屬和塑料的復(fù)合層壓材料。“我們還不確定能否順利切割，”Bartholomew說(shuō)。“金屬部分是沒(méi)有問(wèn)題的，但我們不確定夾在金屬間的塑料層。激光光束有可能直接穿過(guò)，然而塑料需要吸收光束才能被切割。”
塑料類(lèi)通常不使用光纖激光，他說(shuō)到。“出于同樣的原因，光纖激光的波長(zhǎng)范圍特別適合加工金屬材料，卻不太適合塑料和亞克力。CO2激光器的波長(zhǎng)正好可以被塑料吸收，所以其在加工塑料時(shí)的效果很好。這是光纖激光器和CO2激光器的區(qū)別之一。但光纖激光也不是沒(méi)有加工的可能性，我們?cè)敢庖辉嚒?rdquo;
塑料類(lèi)通常不使用光纖激光，他說(shuō)到。“出于同樣的原因，光纖激光的波長(zhǎng)范圍特別適合加工金屬材料，卻不太適合塑料和亞克力。CO2激光器的波長(zhǎng)正好可以被塑料吸收，所以其在加工塑料時(shí)的效果很好。這是光纖激光器和CO2激光器的區(qū)別之一。但光纖激光也不是沒(méi)有加工的可能性，我們?cè)敢庖辉嚒?rdquo;
光纖激光特別適合加工金屬材料的原因是其波長(zhǎng)只有1.06 μm，而CO2激光器是10.6 μm。前者只有后者的十分之一，所以材料對(duì)激光能量的吸收差異顯著。
用光纖激光器切割特殊材料需要熟悉掌握功率、光束質(zhì)量、輔助氣體的類(lèi)型及壓力、噴嘴設(shè)計(jì)、焦點(diǎn)位置及切割速度等大量知識(shí)。優(yōu)化及平衡這些參數(shù)，有時(shí)需要我們對(duì)機(jī)器做一些必要的改裝。例如，典型的激光切割頭高度傳感器只能感應(yīng)金屬材料，所以如果應(yīng)用中含有非金屬元件影響高度傳感的性能，可能需要采用其他的高度傳感技術(shù)。
高反材料
作為一種成熟的工藝，光纖激光器在高反材料中的應(yīng)用是與CO2激光器的又一個(gè)顯著區(qū)別。“如果你用CO2激光器切割高反材料，那么無(wú)論怎樣肯定都是失敗的，因?yàn)閭鬏斨敛牧系墓β驶蚬馐紩?huì)被反射回來(lái)，”Bartholomew說(shuō)到。“CO2激光器的光束路徑是由一系列鏡片組成的，光束會(huì)被反射回諧振腔。大量反射回來(lái)功率，會(huì)損傷甚至是毀壞諧振腔。所以，必須對(duì)傳感器或者阻止反射光通過(guò)的特殊反光元件做一些調(diào)整。這很復(fù)雜，而且有點(diǎn)難度。”
光纖激光器則更適合切割各種高反材料。“采用設(shè)計(jì)合理的傳輸光纖，”他說(shuō)到，“如果反射光進(jìn)入了光纖，光纖就會(huì)將其吸收，讓它無(wú)法達(dá)到激光源。高反光束沒(méi)有機(jī)會(huì)在光纖中傳播回激光源。”
“光纖必須以這種方式設(shè)計(jì)”。Bartholomew提示。“光纜必須設(shè)計(jì)合理。有些光纖激光器廠商說(shuō)他們有能夠產(chǎn)生相似波長(zhǎng)的傳輸光纖，但是他們用不同的方法傳輸光束，所使用的元件和諧振腔也不一定是固態(tài)的。這種類(lèi)型的系統(tǒng)，反射光束依然會(huì)影響激光器。如果你準(zhǔn)備切割高反材料，就要采用全固態(tài)、被設(shè)計(jì)為減少高反問(wèn)題的光纖激光器，例如我們選擇的IPG光纖激光器。”
光纖激光器與CO2激光器的比較
對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，CO2激光器和光纖激光器之間最大的區(qū)別就是操作成本。“一臺(tái)CO2激光器的平均運(yùn)行成本大約為12.5美元/小時(shí)，還不包括輔助氣體的成本，” Bartholomew說(shuō)。“這僅是維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本。而光纖激光器的運(yùn)行成本僅為3.5美元/小時(shí)。”
Whitney的光纖激光切割機(jī)能夠加工多種材料，包括薄片材料、復(fù)合材料及高反材料，
具有更快的切割速度，更低的操作成本和最少的維護(hù)需求。
此外，CO2激光器在以氮?dú)鉃檩o助氣體切割薄板時(shí)的速度也不敵光纖激光器，Bartholomew表示。“光纖激光器在切割薄板時(shí)更具速度優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)楣饫w激光在穿過(guò)材料時(shí)能被更好地吸收，因此切割更有效率。對(duì)于那些厚度超過(guò)6.35mm的材料來(lái)說(shuō)，需要使用氮?dú)廨o助切割。此時(shí)CO2和光纖激光器的切割速度相似。”
光纖激光器比CO2激光器成本低的另一個(gè)重要原因與維護(hù)相關(guān)。對(duì)于CO2激光器來(lái)說(shuō)最大的維護(hù)成本來(lái)自于諧振腔的定期調(diào)整或更換。“通常，CO2激光器每經(jīng)過(guò)大約12,000小時(shí)，就需要花費(fèi)2-4萬(wàn)美元請(qǐng)技術(shù)人員調(diào)整諧振腔。而光纖激光器則完全不需要調(diào)整諧振腔。”
操作成本也是CO2激光器的明顯缺點(diǎn)。Bartholomew表示，激光光束是在諧振腔中產(chǎn)生的，需要許多支持設(shè)備產(chǎn)生光束，包括風(fēng)機(jī)、鏡片、切割氣體和高壓設(shè)備等。此外，為了將光束傳導(dǎo)至切割頭進(jìn)行操作，還需要冷卻以及調(diào)整光束路徑。
如果換成光纖激光器，所有這些成本問(wèn)題就都不存在了。“一臺(tái)真正的光纖激光器是純固態(tài)的，就像我們所使用的IPG光纖激光器，生成的激光光束通過(guò)光纖傳導(dǎo)至切割頭，”Bartholomew表示。“以前人們總是認(rèn)為用光纖激光器只能切割6.35 mm以內(nèi)的厚板，”Bartholomew說(shuō)到。“Whitney的測(cè)試結(jié)果證明實(shí)際上并非如此。我們已經(jīng)用光纖激光器成功切割了19.05 mm的厚板，甚至還能用12 kW的光纖激光器，以12.7 m/min的速度切割6.35 mm的碳鋼，比等離子切割還快。”
有一點(diǎn)需要注意的是光纖激光器的切割頭比CO2激光器更為復(fù)雜。光纖激光器切割頭是完全密封的，以防止外界污染。對(duì)激光頭的維護(hù)要求用戶密切注意操作流程，清潔材料、清潔方法以及操作環(huán)境。盡管可以在機(jī)器上更換保護(hù)鏡片和噴嘴，切割頭的拆卸和維護(hù)必須要在清潔通風(fēng)的環(huán)境下進(jìn)行。
光纖激光器諧振腔相對(duì)于CO2激光器諧振腔的優(yōu)勢(shì)
綜合考慮光纖激光器的種種優(yōu)勢(shì)，Bartholomew感受到了激光行業(yè)面臨的變革。“目前整個(gè)行業(yè)正處于過(guò)渡階段。許多激光設(shè)備產(chǎn)商在CO2激光器中投入了大量成本，所以他們對(duì)CO2激光器的推廣遠(yuǎn)勝于光纖激光器。同時(shí)CO2激光器經(jīng)過(guò)多年推廣，很多公司已經(jīng)具備了將CO2激光器應(yīng)用在多個(gè)工藝中的能力。
這自然減緩了光纖激光普及的速度。“這些公司需要用與傳統(tǒng)觀念不同的角度看問(wèn)題，這樣他們才能夠改變目前的做法，”Bartholomew說(shuō)到。“有種觀點(diǎn)認(rèn)為應(yīng)該按照使用CO2激光器的方式來(lái)使用光纖激光器，但為了能獲得最優(yōu)的光纖激光器加工工藝，你應(yīng)該嘗試一些新方法。”
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