光纤激光器 半导体激光器 激光切割
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工程师该了解的激光切割指南
录入时间:2018/6/12 9:57:51

文/Ian Wright 

如果要你说出1967年发生的一项重大事件,显然你会给出很多答案。

1967年,歌曲爱之夏季(Summer of Love)让人们看到了“迷幻摇滚”的巅峰;1967年,瑟古德·马歇尔(Thurgood Marshall)获得美国最高法院的认可而成为美国历史上第一位黑人法官;如果你是冰球爱好者,那1967年是多伦多枫叶队(Toronto Maple Leafs)最后一次赢得斯坦利杯(Stanley Cup)。当然,1967年工程领域也不乏重大事件,包括阿波罗1号发生太空灾难、土星5号运载火箭(Saturn V)首次发射,以及协和式飞机(Concorde)的首次亮相。

1967年发生的另一个事件可以说同样重要,但这件事并没有获得像上述事件那么多的媒体报道。这一年,英国剑桥焊接研究所的副科学主任Peter Houldcroft开始了他的实验——用氧气作为辅助气体,用功率300W的CO2激光器切割厚度为1mm的钢板。

这标志着使用激光进行工业材料加工的开始。50年后的今天,激光切割机已经在金属切割机市场中(还包括等离子、水射流和机械切割机)占据了最大份额。

什么是激光切割?

简单地说,一台数控(CNC)激光切割机使用相干光束切割材料,材料通常为金属板材,但也包括木材、金刚石、玻璃、塑料和硅材料。


(图片来源AMADA

起初,激光束是通过反射镜、透镜等光学元件引导传输的,现在更为常见的是使用光纤传输。透镜将光束聚焦到工作区域,从而将材料烧蚀、熔化或汽化掉。确切地说,材料所经历的加工过程取决于激光切割的类型。

从广义上讲,激光切割可分为两种类型:激光熔化切割和激光烧蚀切割。激光熔化切割是先在一定范围内熔化材料,并使用高压气流将熔融材料排出,形成一个开放的切口。相比之下,激光烧蚀切割采用脉冲激光逐层去除材料,它像凿子一样,只在微观尺度内用激光进行加工,这种方法让材料蒸发,而不是熔化。

还有另外两个关键因素可以区分激光熔化切割与激光烧蚀切割。

首先,激光烧蚀切割可用于在材料中进行局部切割,而激光熔化切割只能用于切穿整个材料。这是因为熔化切割使用的是连续激光,或是比烧蚀切割使用更长的脉冲激光(微秒或毫秒Vs. 纳秒),这会形成一个穿透金属整个深度的熔池。这种熔化的材料必须通过气流切割,否则它会停留在切口处、并在冷却后将切割边缘重新连接在一起。

区分这两种激光切割的第二个、也是更为重要的因素是速度。“金属板材切割(占据了切割行业的主要部分)通常是切割厚度为0.5~20mm的材料。”IPG Photonics公司高级应用科学家Rouzbeh Sarrafi说,“就当前的激光技术水平而言,激光熔化切割的速度要快得多;相比之下,激光烧蚀切割则需要消耗更多时间。”

 

(图片来源IPG Photonics)。

鉴于激光熔化切割在金属板材切割中的优势,本文将重点研究激光熔化切割技术。如果想了解关于激光烧蚀切割的更多内容,可以查阅《微米级制造Micron-Scale Manufacturing》这篇文章。

光纤激光器 VS CO2激光器

两种最常见的激光切割机类型是:光纤激光切割机和CO2激光切割机。

CO2激光器通常使用电磁激励气体(通常为二氧化碳、氮气和氢气、氙气或氦气的混合物)作为活性激光介质。相反,光纤激光器(是一种固体激光器)则使用掺有稀土元素(如铒、镱、钕或镝)的光纤作为工作物质。正如Houldcroft的实验所表明的那样,激光切割行业是从使用CO2激光器开始的,并且多年来CO2激光器一直在激光切割行业中处于主导地位,目前光纤切割机已经占据金属材料激光切割市场的绝对主导地位。

(图片来源Bystronic

“大约从2010年或2011开始,光纤激光器的销售额大约占据了所有激光器销售额的5%-10%,”AMADA AMERICA公司激光部门产品经理Dustin Diehl说,“在次之前,光纤激光器的销售份额也基本接近这个比例,但它们并未获得太多关注,当时人们对这项技术并不熟悉。随着客户开始对光纤激光器给出了满意的使用反馈,这时候你才真正开始看到光纤激光器的销售额开始飙升了。到2017年,我们超过90%的切割机销售额来自光纤激光切割机。”

关于光纤激光器将要在市场上完全取代CO2激光器的猜测,可以追溯到一些最早的光纤激光器系统。在过去的十多年间,人们的问题已经发生转变:已经从“所谓的面向特定市场的激光切割机是否可能拥有比预期更大的市场?”转向了“光纤激光器能完全取代CO2激光器吗?”

即使在很多专家那里,这也是一个有争议的话题。

“光纤激光器替代CO2激光器的趋势将会继续,”Bystronic公司激光切割产品经理Erich Buholzer说,“潜在地,CO2激光器将会被完全取代。如果是这种情况,随着光纤激光技术的进一步发展,这种完全取代将发生在本世纪中期。目前,CO2激光器仍然具有一些独特的优势,例如在厚板材切割方面拥有更好的边缘质量和更小的毛刺。”

Diehl的观点则更加谨慎,但他仍对光纤激光器的前景持乐观态度:“光纤激光器会取代CO2激光器吗?我不想对此作出大胆的声明,因为可能有一些应用还是要用CO2激光器,当然我们能用光纤激光器来做的事越来越多,由此我们也发现,没有什么是光纤激光器不能做、而CO2激光器能做的。”

(图片来源AMADA

Diehl并不同意Buholzer对光纤激光器在厚材料加工方面的性能评价。

“CO2激光器在厚板材切割中拥有更好的‘切割边缘’,这可能是一个古老的误解,当然这里我们在光纤激光器世界中谈论的‘古老’,可能也就是几年前的事。”Diehl说,“当光纤激光器首次问世时,这确实是一个值得关注的问题,因为当时确实没有任何技术能让光纤激光器获得像CO2激光器那样的边缘切割质量。但是今天,我们已经可以用光纤激光器获得类似的边缘切割质量,即使是切割更厚的材料。”

IPG Photonics公司的Sarrafi对光纤激光器的前景更为乐观:“由于最近几年取得的所有发展,我预计固态激光器,特别是光纤激光器将会在金属板材切割应用中完全取代CO2激光器。如果你去逛一逛像FABTECH这样的展会,你就会发现,光纤激光器已经在金属切割领域占据了主导地位。”

激光切割的材料

正如前文提到的,CNC激光切割机已经在各行各业中用于广泛的材料切割。由于切割金属板材是最为常见的应用,因此值得关注其所涉及的特殊性。例如,反射率和表面厚度就是两个最重要的考虑因素。

(图片来源IPG Photonics

“反射率是考虑一种材料是否能被切割的主要因素,并且所使用的激光技术(例如CO2激光器与光纤激光器)也会有很大的影响,”Buholzer说,“最大切割厚度取决于各种因素,包括激光功率及其应用方式。”

关于反射的问题,Sarrafi补充说:“现代光纤激光器如果具备足够高的功率和足够小的光斑尺寸,那么它们已被证明能够切割所有的反射性材料。”他说,“这是一个关于高峰值功率和光学设置的问题。因此,反射率已经不再是什么大问题了。”

的确,光纤激光器的发展已经让激光能切割的金属材料有了更多选择,包括铜、黄铜钛和其他CO2激光器不适合切割的合金材料。然而,尽管取得了这些进展,但材料厚度仍然对激光切割提出了重大限制。

一般来说,在激光的世界中,2英寸已经能够很好的切割,更厚的材料也成为可能。

激光切割 VS其他工艺

虽然数控激光切割机在过去的十年中取得了巨大进步,尤其是光纤激光器,但它们并不是市场中唯一的主角。如果您正在为您的应用考虑一种新的(或已被使用的)激光切割机,您可以升级旧的激光器,也可以用一种更高效的加工代替较低效的加工。在后一种情况下,常常是激光切割、等离子切割、机械切割和水射流切割之间的博弈。

(图片来源Bystronic

“选择哪种切割方式主要取决于你的产品,只要能满足要求。”Diehl说,“一般来说,激光器将用在5英寸×10英寸的机器或6英寸×12英寸的机器中。我们习惯的加工范围为厚度1英寸或以下的低碳钢。现在,有了更高功率的光纤激光器,我们甚至可以切割厚度2英寸的不锈钢和2英寸的铝,这是光纤激光技术的进步之一。只要加工的厚度不超过20mm,光纤激光器肯定是理想选择。

激光切割 VS等离子切割

等离子切割使用电离气体的电加热通道来切割材料。由于工件本身构成了所得到的电路的一部分,所以它必须是导电的。

Fleet Readiness Center Southeast一台AMADA数控光纤激光切割机。

在资金成本、运行成本和速度方面,等离子切割比激光切割更有优势。如上所述,等离子在切割厚板材方面也有出色的表现。然而,数控激光切割机在灵活性方面更加胜出,因为它们能切割非导电材料,更重要的是具体很好的边缘质量。

等离子切割在零件尺寸公差方面也显著逊色于激光切割,因为等离子切割的切口宽度大得多。

激光切割 VS 冲压

本文中提到的机械切割方式,是指利用模具冲压的加工方式。

平均而言,机械切割比激光切割具有更高的资金成本和更高的操作成本,特别是需要使用复杂模具组进行冲压的情况。虽然机械切割在最近几年也取得了重大进展,但是激光切割仍然是更加灵活的切割方式。机械切割的主要优势在于大批量生产。


(图片来源AMADA

“如果比较机械冲压方式和光纤激光切割方式,光纤激光切割方式具有更大的灵活性,但是如果要大批量生产相同零件的话,机械冲压方式是更经济的选择。”Sarrafi说道。

在切割的零件质量方面,特别是如果工具标识或表面划痕是应用所关注的一个问题的话,那么激光切割相比于机械冲压方式的优势,目前尚且存在一定的争辩性。

激光切割 vs.水射流切割

水射流切割采用高压水流切割,通常与磨料配合使用。水射流切割的资金成本高于等离子切割、低于激光切割,但它在这三种切割方式中拥有最高的运行成本。

水射流能够实现3D材料切割,并且能够切割较厚的材料,而激光切割能在切割速度方面胜出,当然水射流切割可以用多喷嘴系统来抗衡激光切割的速度优势。激光切割和水射流切割的边缘质量和切割精度比较接近,但水射流切割略微胜出。

激光切割中的常见错误

“从首选激光切割的观点来看,这里有一点挑战因素,”Diehl说,“激光切割机是一种非常高科技的设备,而客户从过去的等离子切割甚至是旧的机械冲压方式转向激光切割,多少会面临一些挑战。”


(图片来源IPG Photonics

与任何新工艺一样,激光切割也有一条学习曲线。如果你具备使用其他XY轴切割工艺的经验,例如等离子切割,那么一台CNC激光切割机对你来说应该是比较熟悉的。然而,这里仍然有一些新用户应该注意的常见的应用工艺办法。

Sarrafi指出,“典型的切口宽度范围通常为30~300μm,这取决于激光功率、光学设置和切割过程。切口宽度是需要在设计中考虑到的一点。”

另一个常见的加工是微链接,这被称为tabbing。

“激光切割使用高压气体(氮气切割为5~25巴),因此,需要切割的零件要么由自身的重量支撑,如果零件厚度超过2~3mm并且尺寸相对较大的话,这种方法没问题;但是对于薄而小的零件,为了抵抗气流的压力,需要对它们进行固定。”Sarrafi说,“这些微接头非常小,宽度在0.2~0.4mm,所以它们很容易在后处理中断裂,但有时必须要用它们将零件连接到框架上,以保证零件不会被吹走。”

(图片来源Bystronic

最后一个问题是激光切割机的维护,正如Diehl所说:“对于光纤激光切割机而言,从日常操作的角度来看,有很多细节需要考虑,比如清洁。喷嘴或镜头保护装置都需要妥善维护,这些都是每天需要处理的事情。“所有这些都暗示了对于激光切割系统而言,配备有能力的合格操作员的重要性。”

“我们看到一些操作员就像我们的内部冠军:他们让我们看起来很棒,因为他们关心机器,了解从编程技术到日常维护的所有工作的重要性。”

高效激光切割的要领

关于激光切割有一个普遍的误解,就是效率只是激光功率的问题。这种误解部分源于CO2系统的遗留问题,但是光纤激光技术的快速发展,使得切割效率不仅仅与激光功率有关。“虽然原始切割功率正在增加,但仍需要考虑其他因素。”Buholzer说,“从技术上来讲,特别是对于薄材料切割而言,为了充分利用额外的切割功率,也需要增加机械动力学方面的灵活性(加速/减速)。”加速和减速是限制切割效率的一个主要因素。


(图片来源AMADA

即使将切割速度翻倍,也不一定就能实现加工周期的等效缩短,因为加工周期主要取决于被切割零件的几何形状,正如Sarrafi解释的:“尽管能够实现非常高的切割速度,比如每分钟2000英寸或每秒1英寸,但是对于具有复杂特征的小于2英寸或更小零件的切割周期,其主要限制因素是加速度而不是速度。因为在开启全速切割之前,必须要将切割头移动到另一个地方。”

从另一个方面来看,对于大型零件或是形状不复杂的零件,则能充分享受激光切割的高速优势,因为在这种情况下,加速和减速并不是效率的主要限制因素。“你真正需要的是一个很好的光束传输系统来处理需要传输的功率,包括镜头和切割头等。”Diehl指出。

工业激光切割

与多伦多枫叶冰球队不同的是,自1967年以来,工业激光切割已经取得了显著的胜利。正如CNC激光切割机从当初的只针对特定应用而发展成为主导切割机市场一样,光纤激光器也从一种小众技术,发展成为类似地主导激光切割机市场。但是在选择激光切割之前,还有很多因素需要考虑,请记住对于激光器而言,功率不是一切,但也并非无足轻重。



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