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脉冲光纤激光器在金属切割中的应用
材料来源:激光世界           录入时间:2011-2-11 9:23:59

虽然纳秒脉冲光纤激光器通常被用于激光打标,但是由于纳秒脉冲光纤激光器的成本较低,紧凑,可靠,不需要经常维护,所以用它也非常适合用来进行蒸发切割。通过采用直接调制种子激光的MOPA(主控振荡器的功率放大器)等设计,我们可以得到短脉冲和相对高的峰值功率,这些技术都把激光器变成切割金属有效的加工工具。

作为一种连续波型切割器的替代品,脉冲光纤激光器可以应用于多通蒸发式切割过程中,监测装置控制激光来回通过切割线,每次仅切除很少的金属,并且不需要喷嘴和辅助气体。这项技术提供了一个灵活、精确和合理的解决方案。而且这套设备基本上是一套简单的激光标记系统。

这项切割技术可以广泛适用于各种材料,从有色金属、非有色金属,到陶瓷、高分子材料甚至含碳复合材料,都涵盖其中。切割速度可以很方便的改变,对于薄金属板,可以做到小于10mm/min,对于厚的材料,切割速度可以大于1mm/min。当用于切割比较厚的金属时,必须采用切割线补偿或光束摆动等特殊技术来有效的扩大切口宽度。相对于传统激光切割,这些速度可能会比较慢,但对于很多应用来说,纳秒脉冲光纤激光器的低成本和灵活性是非常具有吸引力的。

实验结果表明,SPI激光器的所有SM/HS/HM型号都可以实现有效切割,但是每种机器的切割特点会略有不同,这与材料的选择和要求的输出有关。以窄切缝宽度为例,具有高品质光束和较小光斑的SM型激光器最为适合,而对于较厚的材料,采用具有更高峰值功率和较大尺寸光斑的HM型效果会更好一点。

铝材料

纯铝和铝合金应用相当广泛,一些小的复杂的零件可以从比较厚的材料中切割出来而得到。(图1)完成之后的表面不产生拉丝那样的很大的影响,抛光部分同样可以被切削的很好。最厚到2mm的零件都可以这样切割成型,但是速度会比较慢


图1 切割样品包括:1.2mm 铝质薄板,0.2mm锡钢薄板
0.5mm和2mm抛光铝(Newson Engineering NV提供)

不锈钢

不锈钢是一种应用非常广泛的材料,特别是在医疗工业中,对切割精度的要求非常高。对于0.5mm厚的304级材料,采用一个简单的扫描系统,就可以使切割速度大于20mm/min的同时获得很好的切割质量。但是,采用40W的HM型激光器,配备固定的切割头和同轴辅助气体,在200μm的不锈钢上的切割速度可以达到大于1.5m/min!(图2)

 
图2 采用40W HM 加工200um厚不锈钢薄板
速度1.5m/min

钛材料

薄的钛板很容易切割,对于工程应用,必须要注意确保边缘氧化不会影响切边的质量。然而,对于那些对技术功能要求不高的应用,比如装饰用的珠宝,这种过程就比较理想,同时可以结合颜色标记。

 

图3 钛工艺珠宝 300um厚,采用20W HS激光器切割
速度1-2mm/s

高反光材料

铜,黄铜,银和金都有着极高的反射率和电导率,因此这些材料通常被认为非常难以切割。需要很高的功率密度来启动切割过程,但用纳秒光纤激光器很容易进行切割。

黄铜通常被认为是一种难以采用激光切割的材料,它通常被当作切割黄金前的实验材料,用于测试和研究切削参数。只要有足够的峰值功率,相当厚甚至最高1mm的材料都可以用20W HS型激光器来完成切割,并且质量非常好,如果采用40W HM型激光器,可加工的最大厚度可达到2mm。(图4)

 

图4 采用20W HS型激光器加工的0.8mm厚黄铜齿轮,耗时7分钟
(该图由Orotig srl提供)

很多工程应用都需要切割铜,特别是电气和电子领域,尤其是金属薄板材料。虽然材料具有高反射率及高导电性,但是耦合入金属的高峰值功率使得切割精度变得非常高,且无毛刺(图5)。一个新兴的应用是PCB板上的沉淀轨迹铜切割,因为在板上对导电轨道切割有一定要求。

 

图5 使用20W HS激光器进行铜薄板切割(由Miyachi Unitek提供)

比如银和黄金等贵金属,我们可以使用脉冲激光进行切割,因为这种技术可以完成非常复杂的形状,而且材料浪费率非常低,这对珠宝商无疑是非常有吸引力的。下图是一个直径为20mm的质量优良,非常华丽的银盘,它就是用20W HS激光器切割出来的。(图6)


 
图6 0.55mm厚银盘,使用20W激光器在13分钟内切割成型(由Orotig srl提供)

总结

纳秒脉冲光纤激光器非常适合应用在蒸发切割当中,以上的例子表明,很多种金属都可以由激光器来完成切割,这也显示出这种激光器是多功能的。


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