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行業(yè)資訊
得天獨(dú)厚的能力：光纖激光切割高反材料
在航空航天，建筑施工，交通等領(lǐng)域中，時(shí)常會(huì)應(yīng)用到一些特殊材料，如高反材料，如何對這類材料進(jìn)行高效切割加工？在以往這類材料從未使用光纖激光切割機(jī)進(jìn)行切割，但是由于光纖激光切割機(jī)的廣泛應(yīng)用，客戶還是很期待光纖激光切割機(jī)能為他們解決加工難題的。
航空航天基材光纖激光切割實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用： 層壓墊片
墊片是一種層壓材料用于制作航空航天業(yè)，該材料的基材為0.762mm，上面層壓了幾層0.076mm的層壓材料，墊片的總厚度為1.524mm。 對不銹鋼材料及鋁材墊片進(jìn)行了測試。
以前墊片是機(jī)械加工生產(chǎn)的。“機(jī)械加工的問題是速度太慢了。”Bartholomew稱：“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。”于是，成本問題及機(jī)械加工生產(chǎn)墊片帶來的問題使客戶尋求更好的解決方法，嘗試用光纖激光進(jìn)行切割。
一些銷售產(chǎn)品的專員表示：“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”。
首先測試切割了小樣片以確定切割參數(shù)，然后進(jìn)行了實(shí)際部件的切割測試。 用多種方法進(jìn)行了測試，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，你就無法剝離層壓層了。”
用各種不同的參數(shù)測試了大量樣件，從層壓層正面切割、背面切割、不同的切割速度，最終確認(rèn)光纖激光切割機(jī) 能在避免焊接切割邊緣和破壞層壓層的情況下對墊片進(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22.86m/min，對不銹鋼墊片切割時(shí)，速度可以達(dá)到3.048m/min，”Bartholomew說道。
盡管已經(jīng)證明了光纖激光切割機(jī)可以切割墊片，但航空航天行業(yè)客戶自己必須進(jìn)行一些測試。“他們擔(dān)心疲勞性能，”Bartholomew說道。“由于這些材料通常不用典型的熱加工切割，就必須測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)直長度，鏡片和焦距組合在一起會(huì)影響光束對材料的作用。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)充到。“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。對于薄片材料，功率和聚焦鏡是最重要的因素。”
磁性不銹鋼材料的光纖激光切割試驗(yàn)及應(yīng)用
近期剛完成測試的另一種材料，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0.0635mm，對容差有極為嚴(yán)格的要求。切割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。“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。”
通過對標(biāo)準(zhǔn)光纖激光切割機(jī) 的參數(shù)調(diào)整， 成功地對磁性材料進(jìn)行了切割，速度可達(dá)10.16m/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說道。“因?yàn)槟菍⒏淖儾讳P鋼片跟馬達(dá)及磁場的相互作用。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。” 客戶正在測試其性能來確定用光纖激光切割機(jī) 切割是否可行。
純鋅成型地板光纖激光切割
近期進(jìn)行光纖激光切割機(jī) 測試的第三種材料是純鋅板。要求測試的客戶用純鋅板制作線框，在制作花紋地板時(shí)用來固定瓷磚。切片厚度為6.35mm，寬度為3.175mm，具有復(fù)雜的形狀。
通常，水刀用來切割線框但是這種工藝比較慢，大約0.3556 m/min。 用光纖激光切割機(jī) 切割鋅板時(shí)，速度可以達(dá)到10.16m/min。
光纖激光切割復(fù)合材料的可能性？
一種客戶要求但尚未進(jìn)行測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。“金屬部分是沒有問題的，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，然而塑料需要吸收光束才能被切割。”
塑料類通常不使用光纖激光，他說到。“出于同樣的原因，光纖激光的波長范圍特別適合加工金屬材料，卻不太適合塑料和亞克力。CO2激光切割機(jī)的波長正好可以被塑料吸收，所以其在加工塑料時(shí)的效果很好。這是光纖激光切割機(jī) 和CO2激光切割機(jī)的區(qū)別之一。但光纖激光也不是沒有加工的可能性，我們愿意一試。”
光纖激光特別適合加工金屬材料的原因是其波長只有1.06μm，而CO2激光切割機(jī)是10.6μm。前者只有后者的十分之一，所以材料對激光能量的吸收差異顯著。
用光纖激光切割機(jī) 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)。
高反材料加工新方法
作為一種成熟的工藝，光纖激光切割機(jī) 在高反材料中的應(yīng)用是與CO2激光切割機(jī)的又一個(gè)顯著區(qū)別。“如果你用CO2激光切割機(jī)切割高反材料，那么無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，”Bartholomew說道。“CO2激光切割機(jī)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。大量反射回來功率，會(huì)損傷甚至是毀壞諧振腔。所以，你必須通過傳感器或者阻止反射光通過的特殊反光元件做一些調(diào)整。這很復(fù)雜，有點(diǎn)難度。”
光纖激光切割機(jī)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，”他說道，“如果反射光進(jìn)入了光纖，光纖就會(huì)將其吸收，讓它無法達(dá)到激光源。高反光束沒有機(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。有些光纖激光切割機(jī) 廠商說他們有能夠產(chǎn)生相似波長的傳輸光纖，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)為減少高反問題的光纖激光切割機(jī) ，例如我們選擇的IPG光纖激光切割機(jī) 。”
對比見真知：光纖激光切割機(jī)與CO2激光切割機(jī)
對于用戶來說，CO2激光切割機(jī)和光纖激光切割機(jī) 之間最大的區(qū)別就是操作成本。“一臺(tái)CO2激光切割機(jī)的平均運(yùn)行成本大約為12.50美元/小時(shí)，還不包括輔助氣體的成本，”Bartholomew說。“這僅是維護(hù)和運(yùn)營成本。而光纖激光切割機(jī) 的運(yùn)行成本僅為3.50美元/小時(shí)。”
“此外，CO2激光切割機(jī)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切割機(jī) ，”Bartholomew表示。“光纖激光切割機(jī) 在切割薄板時(shí)更具速度優(yōu)勢，這是因?yàn)楣饫w激光在穿過材料時(shí)被更好地吸收，因此切割更有效率。對于那些厚度超過6.35mm的材料來說，需要使用氧氣輔助切割。此時(shí)CO2和光纖激光切割機(jī) 的切割速度相似。”
光纖激光切割機(jī)CO2激光切割機(jī)成本低的另一個(gè)重要原因與維護(hù)相關(guān)。對于CO2激光切割機(jī)來說最大的維護(hù)成本來自于諧振腔的定期調(diào)整或更換。“對于CO2激光切割機(jī)來說，每經(jīng)過大約12，000小時(shí)，你就需要請技術(shù)人員，花費(fèi)2-4萬美元去調(diào)整諧振腔。而光纖激光切割機(jī) 則完全不需要調(diào)整諧振腔。”
操作成本也是CO2激光切割機(jī)的明顯缺點(diǎn)。Bartholomew提示，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。
如果換成光纖激光切割機(jī) ， 所有這些成本問題就都不存在了。“ 一臺(tái)真正的光纖激光切割機(jī)是純固態(tài)的， 就像我們所使用的IPG光纖激光切割機(jī) ，生成的激光光束通過光纖傳導(dǎo)至切割頭，”Bartholomew表示。“以前人們總是認(rèn)為不能用光纖激光切割機(jī) 切割厚板，厚度只能限制在6.35mm以內(nèi)，”Bartholomew說道。“ 的測試結(jié)果證明實(shí)際上不是這樣的。我們已經(jīng)用光纖激光切割機(jī) 成功切割了19.05mm的厚板，甚至還能用12kW的光纖激光切割機(jī) ，以12.7m/min的速度切割6.35mm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切割機(jī) 的切割頭比CO2激光切割機(jī)更為復(fù)雜。光纖激光切割機(jī) 切割頭是完全密封的，以防止外界污染。對激光頭的維護(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。
綜合考慮光纖激光切割機(jī) 的種種優(yōu)勢，Bartholomew感受到了激光行業(yè)面臨的變革。“目前整個(gè)行業(yè)正處于過渡階段。許多激光設(shè)備產(chǎn)商對CO2激光切割機(jī)中投入了大量成本，所以他們對CO2激光切割機(jī)的推廣遠(yuǎn)勝于光纖激光切割機(jī) 。同時(shí)CO2激光切割機(jī)已經(jīng)推廣了很多年，很多公司已經(jīng)具備了將操作CO2激光切割機(jī)使用在許多工藝中的能力。”
這減緩了光纖激光更加廣為人知的速度。“這些公司需要用與傳統(tǒng)觀念不同的角度看問題，這樣他們才能夠改變目前的做法，”Bartholomew說道。“有種觀點(diǎn)認(rèn)為應(yīng)該按照使用CO2 激光器的方式來使用光纖激光切割機(jī) ，但為了能獲得最優(yōu)的光纖激光切割機(jī) 加工工藝，你應(yīng)該嘗試一些新方法。”
大族粵銘激光專業(yè)激光設(shè)備制造商，產(chǎn)品有激光切割機(jī)，光纖激光切割機(jī)，激光模切機(jī)，紫外激光打標(biāo)機(jī)等。
（本文由大族粵銘激光原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載須注明出處：rengzui.cn，珍惜別人的勞動(dòng)成果，就是在尊重自己）
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