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特殊材料的光纤激光切割试验
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Whitney公司常常应客户的需要,进行新材料或特殊材料的光纤激光切割检测与评估,截止目前已经对航空航天业中使用的铝及不锈钢、转子中使用的磁性材料、地板业中使用的锌板以及许多其他材料进行了测试。

与非热加工工艺相比,光纤激光器在切割上述材料时的优势和挑战,以及与CO2激光器相比在切割高反材料时的优势有哪些?您将在本文中收获答案。

客户常会带着他们在航空航天、仓储设备制造、建筑与施工、交通等不同行业及部分特殊定制中需要使用的特殊材料找到Whitney进行测试。尽管这些材料从未使用过光纤激光器进行切割,客户依然期待光纤激光器能够胜过他们目前所采用的工艺。

垫片的成功应用

Whitney近期测试了一种层压材料,用于制作航空航天业所用的垫片,该材料的基材为0.762 mm,上面层压了几层0.076 mm的层压材料,垫片的总厚度为1.524 mm。Whitney对不锈钢材料及铝材垫片进行了测试。

“为了使垫片的厚度达到要求的精度,客户可能还需要剥离一两层层压材料,使垫片能够精确地配合安装空间”,Whitney全球销售及产品专员Dale Bartholomew表示。

以前垫片是机械加工生产的。“机械加工的问题是速度太慢了。”Bartholomew称:“而且机械加工很容易会使部分层压层受到破坏,例如最上面一层会剥落。“因此,成本问题及机械加工生产垫片带来的种种问题迫使客户寻求更好的解决方法,譬如尝试用光纤激光进行切割。”

Whitney首先测试切割了小样片以确定切割参数,然后进行了实际部件的切割测试。通过使用多种方法进行了测试,也包括从层压层正面和背面分别切割时哪种方式能获得更好的切割效果。“另外就是要精确地设置参数,已确保不会把切割边缘焊接在一起,这是切割薄板时要特别注意的”,Bartholomew表示。“如果切割边缘被焊在一起,你就无法剥离层压层了。”

通过各种不同的参数对大量样件进行测试,从层压层正面切割、背面切割、不同的切割速度,最终确认光纤激光器能在避免焊接切割边缘和破坏层压层的情况下对垫片进行切割。“这种情况下,我们的切割速度,从铝质垫片背面切割时,可以达到22.86 m/min,对不锈钢垫片切割时,速度可以达到3.048 m/min”,Bartholomew说道。

尽管Whitney已经证明了光纤激光器可以切割垫片,但航空航天行业客户自己必须进行一些测试。“他们担心疲劳性能,”Bartholomew说道,“由于这些材料通常不用典型的热加工切割,就必须测试切割工艺中的热影响是否增加故障的可能性。很明显通常采用的机械工艺不会产生热影响。”

那么,切割薄片材料时光纤激光切割机需要如何做呢?其实你需要做的是如何连接激光光束传输系统。Bartholomew表示:“不同的光束直径、准直长度,镜片和焦距组合在一起会影响光束对材料的作用。调整好参数才能正确应用。”

所有的因素会产生综合作用,他补充道,“适合某种材料的参数或许在切割另一种材料时就需要进行调整。对于薄片材料,功率和聚焦镜是最重要的因素。”

磁性材料

Whitney近期刚完成测试的另一种材料,是用于制造电机和发动机转子的层状金属中的磁性不锈钢。零件具有复杂的外形,材料厚度仅有0.0635 mm,对容差有极为严格的要求。切割的每一片都必须精确地相同,然后再根据制造商的需求在两片之间放入其他材料。

零件采用冲压而成,需要精密的模具。“客户正在寻求一种小批量切割工艺。”Bartholomew说,“因为冲压的模具可能会非常昂贵,所以他们希望能够找到一种不需要太快,但是操作成本更低的方式。”

通过对标准光纤激光器的参数调整,Whitney成功地对磁性材料进行了切割,速度可达10.16 m/min。调整的参数包括功率、速度及焦距。辅助气体压力和喷嘴类型也被进行了优化,用以取得最快的切割速度和最清洁的切割工艺。

光纤激光切割的挑战不在于切割本身,而在于应用。“材料本身的磁性不能被改变,”Bartholomew说道,“因为那将改变不锈钢片跟马达及磁场的相互作用。同样,加工时材料表面的热输入将影响材料的结构,进而影响磁性。”客户正在测试其性能来确定用光纤激光器切割是否可行。

成型地板

Whitney近期进行光纤激光器测试的第三种材料是纯锌板。要求测试的客户用纯锌板制作线框,在制作花纹地板时用来固定瓷砖。切片厚度为6.35 mm,宽度为3.175 mm,具有复杂的形状。

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Whitney公司近日对用于制作花纹地砖的边框的纯锌板进行了光纤激光切割测试。
锌板厚度为0.25 mm,宽度为0.125 mm,具有复杂的形状。

通常会用水刀来切割线框,但是这种工艺比较慢,大约0.3556m/min。而Whitney用光纤激光器切割锌板时,速度可以达到10.16 m/min。

切割复合材料的可能性

一种客户要求但Whitney尚未进行测试的是一种金属和塑料的复合层压材料。“我们还不确定能否顺利切割,”Bartholomew说。“金属部分是没有问题的,但我们不确定夹在金属间的塑料层。激光光束有可能直接穿过,然而塑料需要吸收光束才能被切割。”

塑料类通常不使用光纤激光,他说到。“出于同样的原因,光纤激光的波长范围特别适合加工金属材料,却不太适合塑料和亚克力。CO2激光器的波长正好可以被塑料吸收,所以其在加工塑料时的效果很好。这是光纤激光器和CO2激光器的区别之一。但光纤激光也不是没有加工的可能性,我们愿意一试。”

光纤激光特别适合加工金属材料的原因是其波长只有1.06 μm,而CO2激光器是10.6 μm。前者只有后者的十分之一,所以材料对激光能量的吸收差异显著。

用光纤激光器切割特殊材料需要熟悉掌握功率、光束质量、辅助气体的类型及压力、喷嘴设计、焦点位置及切割速度等大量知识。优化及平衡这些参数,有时需要我们对机器做一些必要的改装。例如,典型的激光切割头高度传感器只能感应金属材料,所以如果应用中含有非金属元件影响高度传感的性能,可能需要采用其他的高度传感技术。

高反材料

作为一种成熟的工艺,光纤激光器在高反材料中的应用是与CO2激光器的又一个显著区别。“如果你用CO2激光器切割高反材料,那么无论怎样肯定都是失败的,因为传输至材料的功率或光束都会被反射回来,”Bartholomew说到。“CO2激光器的光束路径是由一系列镜片组成的,光束会被反射回谐振腔。大量反射回来功率,会损伤甚至是毁坏谐振腔。所以,必须对传感器或者阻止反射光通过的特殊反光元件做一些调整。这很复杂,而且有点难度。”

光纤激光器则更适合切割各种高反材料。“采用设计合理的传输光纤,”他说到,“如果反射光进入了光纤,光纤就会将其吸收,让它无法达到激光源。高反光束没有机会在光纤中传播回激光源。”

“光纤必须以这种方式设计”。Bartholomew提示。“光缆必须设计合理。有些光纤激光器厂商说他们有能够产生相似波长的传输光纤,但是他们用不同的方法传输光束,所使用的元件和谐振腔也不一定是固态的。这种类型的系统,反射光束依然会影响激光器。如果你准备切割高反材料,就要采用全固态、被设计为减少高反问题的光纤激光器,例如我们选择的IPG光纤激光器。”

光纤激光器与CO2激光器的比较

对于用户来说,CO2激光器和光纤激光器之间最大的区别就是操作成本。“一台CO2激光器的平均运行成本大约为12.5美元/小时,还不包括辅助气体的成本,” Bartholomew说。“这仅是维护和运营成本。而光纤激光器的运行成本仅为3.5美元/小时。”

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Whitney的光纤激光切割机能够加工多种材料,包括薄片材料、复合材料及高反材料,
具有更快的切割速度,更低的操作成本和最少的维护需求。

此外,CO2激光器在以氮气为辅助气体切割薄板时的速度也不敌光纤激光器,Bartholomew表示。“光纤激光器在切割薄板时更具速度优势,这是因为光纤激光在穿过材料时能被更好地吸收,因此切割更有效率。对于那些厚度超过6.35mm的材料来说,需要使用氮气辅助切割。此时CO2和光纤激光器的切割速度相似。”

光纤激光器比CO2激光器成本低的另一个重要原因与维护相关。对于CO2激光器来说最大的维护成本来自于谐振腔的定期调整或更换。“通常,CO2激光器每经过大约12,000小时,就需要花费2-4万美元请技术人员调整谐振腔。而光纤激光器则完全不需要调整谐振腔。”

操作成本也是CO2激光器的明显缺点。Bartholomew表示,激光光束是在谐振腔中产生的,需要许多支持设备产生光束,包括风机、镜片、切割气体和高压设备等。此外,为了将光束传导至切割头进行操作,还需要冷却以及调整光束路径。

如果换成光纤激光器,所有这些成本问题就都不存在了。“一台真正的光纤激光器是纯固态的,就像我们所使用的IPG光纤激光器,生成的激光光束通过光纤传导至切割头,”Bartholomew表示。“以前人们总是认为用光纤激光器只能切割6.35 mm以内的厚板,”Bartholomew说到。“Whitney的测试结果证明实际上并非如此。我们已经用光纤激光器成功切割了19.05 mm的厚板,甚至还能用12 kW的光纤激光器,以12.7 m/min的速度切割6.35 mm的碳钢,比等离子切割还快。”

有一点需要注意的是光纤激光器的切割头比CO2激光器更为复杂。光纤激光器切割头是完全密封的,以防止外界污染。对激光头的维护要求用户密切注意操作流程,清洁材料、清洁方法以及操作环境。尽管可以在机器上更换保护镜片和喷嘴,切割头的拆卸和维护必须要在清洁通风的环境下进行。

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光纤激光器谐振腔相对于CO2激光器谐振腔的优势

综合考虑光纤激光器的种种优势,Bartholomew感受到了激光行业面临的变革。“目前整个行业正处于过渡阶段。许多激光设备产商在CO2激光器中投入了大量成本,所以他们对CO2激光器的推广远胜于光纤激光器。同时CO2激光器经过多年推广,很多公司已经具备了将CO2激光器应用在多个工艺中的能力。

这自然减缓了光纤激光普及的速度。“这些公司需要用与传统观念不同的角度看问题,这样他们才能够改变目前的做法,”Bartholomew说到。“有种观点认为应该按照使用CO2激光器的方式来使用光纤激光器,但为了能获得最优的光纤激光器加工工艺,你应该尝试一些新方法。”(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2015-12-8)
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