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激光远程切割金属材料的机遇与挑战

2015-12-26 09:33
魏丁小陆
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  激光切割是除激光打标以外的最广泛的激光应用,CO2 激光器因多千瓦功率范围可用以及高度可靠性而长期占领激光切割市场。同时,高亮度固态激光器,如盘形和光纤激光器,作为替代激光源已经进军激光切割市场,固态激光器可以实现更快的切割速度 100 m/min,特别是切割薄金属的时候。实际上,小于 20 m/min 的中等切割速度可以切割图1所示的电工钢板典型轮廓,这是通过平板切割机直线轴的永久加速和减速阶段实现的,因此,业界需要建立一种不用切割气的新型远距离切割方法,即激光和工件之间的相对运动可以依靠一个电流计扫描器利用光束操控,允许一个几乎无惯性光束移动。激光远程切割过程原理图如图2所示,激光器以500W 的功率聚焦到直径小于 100μm 的点上是很关键的。激光遥感切割是一种快速、高成本效益、可替代熔化切割小于 1mm 厚薄金属的切割技术。

  自连续波高亮度激光器和一微米波长的激光遥控切割第一次演示之后,该领域就取得了很大发展。经济上可切 100 微米到 500 微米厚度钢板,改编的控制软件可以解决几何精度问题,毛边防范处理工艺可以减少或去除毛边,即时切割或高动态工作现场批处理扩大有限的工作区域。材料的变化从不锈钢到各种钢、铝、铜、铜焊,甚至少见的钨、铅,而工艺的特性是因材料的不同而不同的。

图1 电板典型剪裁轮廓(左)和利用典型平板切割机切割的实际切割速度(右)

  300m/min 的速度达到平衡转效点,切割速度的增加不会降低深度,缩短循环时间意味着减少切削时间,遗憾的是也会减少几何精度。特殊的软件工具可以实现有关精度要求的分类以及切割速度的自动调整分类。提高激光功率不会线性增加切割时间。

  到目前为止已经讨论了最大切割速度,切割速度的提高会降低毛边的产生。选择近最大速度的特殊工艺参数可以使毛边最小化。这些复杂的相关性受材料的特定性质影响,特别是吸收、热传导、熔化和气化温度极大影响最佳切削参数。

图2 激光远程切割工艺图(消融切割)(左),及实验装置(右)

  激光遥感切割是最有可能取代传统机械切割技术的一种替代式激光切割技术,与熔化切割技术相比,远程切割速度快一个数量级,但是与冲压切割相比,它又慢了一些。然而,在许多应用中足够短的周期时间可以满足大批量生产的要求。在切割质量和轮廓精度方面,激光核聚变切割仍优于远距离切割。但是相对于冲压切割,其优点是显而易见的:像狭窄支柱这样的精细轮廓也是可以切割的,具有更高强度的钢种很容易用激光作为一种非接触式的工具进行处理。如果超短脉冲激光器的平均激光功率实现千瓦级可用,那么切割质量就会取得进一步的进展。还需要指出的是远程切割适用于切割非金属以及化合物材料,如碳纤维复合材料。一个很好的例子就是 CO2 激光器远程切割安全气囊材料。
 

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