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簡(jiǎn)單地說(shuō)，一臺(tái)數(shù)控（CNC）激光切割機(jī)使用相干光束切割材料，材料通常為金屬板材，但也包括木材、金剛石、玻璃、塑料和硅材料。
從廣義上講，激光切割可分為兩種類(lèi)型：激光熔化切割和激光燒蝕切割。激光熔化切割是先在一定范圍內(nèi)熔化材料，并使用高壓氣流將熔融材料排出，形成一個(gè)開(kāi)放的切口。相比之下，激光燒蝕切割采用脈沖激光逐層去除材料，它像鑿子一樣，只在微觀尺度內(nèi)用激光進(jìn)行加工，這種方法讓材料蒸發(fā)，而不是熔化。
鑒于激光熔化切割在金屬板材切割中的優(yōu)勢(shì)，我們將重點(diǎn)研究激光熔化切割技術(shù)。
光纖激光器 VS CO2激光器
兩種最常見(jiàn)的激光切割機(jī)類(lèi)型是：光纖激光切割機(jī)和CO2激光切割機(jī)。
CO2激光器通常使用電磁激勵(lì)氣體（通常為二氧化碳、氮?dú)夂蜌錃?、氙氣或氦氣的混合物）作為活性激光介質(zhì)。相反，光纖激光器（是一種固體激光器）則使用摻有稀土元素（如鉺、鐿、釹或鏑）的光纖作為工作物質(zhì)。
“大約從2010年或2011開(kāi)始，光纖激光器的銷(xiāo)售額大約占據(jù)了所有激光器銷(xiāo)售額的5%-10%，”AMADA AMERICA公司激光部門(mén)產(chǎn)品經(jīng)理Dustin Diehl說(shuō)，“在次之前，光纖激光器的銷(xiāo)售份額也基本接近這個(gè)比例，但它們并未獲得太多關(guān)注，當(dāng)時(shí)人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)并不熟悉。隨著客戶(hù)開(kāi)始對(duì)光纖激光器給出了滿(mǎn)意的使用反饋，這時(shí)候你才真正開(kāi)始看到光纖激光器的銷(xiāo)售額開(kāi)始飆升了。到2017年，我們超過(guò)90%的切割機(jī)銷(xiāo)售額來(lái)自光纖激光切割機(jī)。”
關(guān)于光纖激光器將要在市場(chǎng)上完全取代CO2激光器的猜測(cè)，可以追溯到一些最早的光纖激光器系統(tǒng)。在過(guò)去的十多年間，人們的問(wèn)題已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變：已經(jīng)從“所謂的面向特定市場(chǎng)的激光切割機(jī)是否可能擁有比預(yù)期更大的市場(chǎng)？”轉(zhuǎn)向了“光纖激光器能完全取代CO2激光器嗎？”
即使在很多專(zhuān)家那里，這也是一個(gè)有爭(zhēng)議的話題。
“光纖激光器替代CO2激光器的趨勢(shì)將會(huì)繼續(xù)，”Bystronic公司激光切割產(chǎn)品經(jīng)理Erich Buholzer說(shuō)，“潛在地，CO2激光器將會(huì)被完全取代。如果是這種情況，隨著光纖激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這種完全取代將發(fā)生在本世紀(jì)中期。目前，CO2激光器仍然具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如在厚板材切割方面擁有更好的邊緣質(zhì)量和更小的毛刺。”
Diehl的觀點(diǎn)則更加謹(jǐn)慎，但他仍對(duì)光纖激光器的前景持樂(lè)觀態(tài)度：“光纖激光器會(huì)取代CO2激光器嗎？我不想對(duì)此作出大膽的聲明，因?yàn)榭赡苡幸恍?yīng)用還是要用CO2激光器，當(dāng)然我們能用光纖激光器來(lái)做的事越來(lái)越多，由此我們也發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有什么是光纖激光器不能做的，而CO2激光器能做的。”
CO2激光器和光纖激光器光束模式對(duì)比
圖片來(lái)源AMADA
Diehl并不同意Buholzer對(duì)光纖激光器在厚材料加工方面的性能評(píng)價(jià)。
“CO2激光器在厚板材切割中擁有更好的‘切割邊緣’，這可能是一個(gè)古老的誤解，當(dāng)然這里我們?cè)诠饫w激光器世界中談?wù)摰?lsquo;古老’，可能也就是幾年前的事。”Diehl說(shuō)，“當(dāng)光纖激光器首次問(wèn)世時(shí)，這確實(shí)是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)楫?dāng)時(shí)確實(shí)沒(méi)有任何技術(shù)能讓光纖激光器獲得像CO2激光器那樣的邊緣切割質(zhì)量。但是今天，我們已經(jīng)可以用光纖激光器獲得類(lèi)似的邊緣切割質(zhì)量，即使是切割更厚的材料。”
IPG Photonics公司的Sarrafi對(duì)光纖激光器的前景更為樂(lè)觀：“由于最近幾年取得的所有發(fā)展，我預(yù)計(jì)固態(tài)激光器，特別是光纖激光器將會(huì)在金屬板材切割應(yīng)用中完全取代CO2激光器。如果你去逛一逛像FABTECH這樣的展會(huì)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，光纖激光器已經(jīng)在金屬切割領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。”
激光切割的材料
正如前文提到的，CNC激光切割機(jī)已經(jīng)在各行各業(yè)中用于廣泛的材料切割。由于切割金屬板材是最為常見(jiàn)的應(yīng)用，因此值得關(guān)注其所涉及的特殊性。例如，反射率和表面厚度就是兩個(gè)最重要的考慮因素。
“反射率是考慮一種材料是否能被切割的主要因素，并且所使用的激光技術(shù)（例如CO2激光器與光纖激光器）也會(huì)有很大的影響，”Buholzer說(shuō)，“最大切割厚度取決于各種因素，包括激光功率及其應(yīng)用方式。”
關(guān)于反射的問(wèn)題，Sarrafi補(bǔ)充說(shuō)：“現(xiàn)代光纖激光器如果具備足夠高的功率和足夠小的光斑尺寸，那么它們已被證明能夠切割所有的反射性材料。”他說(shuō)，“這是一個(gè)關(guān)于高峰值功率和光學(xué)設(shè)置的問(wèn)題。因此，反射率已經(jīng)不再是什么大問(wèn)題了。”
的確，光纖激光器的發(fā)展已經(jīng)讓激光能切割的金屬材料有了更多選擇，包括銅、黃銅鈦和其他CO2激光器不適合切割的合金材料。然而，盡管取得了這些進(jìn)展，但材料厚度仍然對(duì)激光切割提出了重大限制。
Diehl說(shuō)：“一般來(lái)說(shuō)，在激光的世界中，切割厚度為1英寸的低碳鋼已經(jīng)是上限。若要切割厚度為1.5英寸或2英寸的板材，可能會(huì)有比激光更好的工具來(lái)完成這項(xiàng)工作了。”
激光切割中的常見(jiàn)錯(cuò)誤
與任何新工藝一樣，激光切割也有一條學(xué)習(xí)曲線。如果你具備使用其他XY軸切割工藝的經(jīng)驗(yàn)，例如等離子切割，那么一臺(tái)CNC激光切割機(jī)對(duì)你來(lái)說(shuō)應(yīng)該是比較熟悉的。然而，這里仍然有一些新用戶(hù)應(yīng)該注意避免的錯(cuò)誤要提醒大家。
Sarrafi特別指出了兩個(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤。
“我看到客戶(hù)有時(shí)會(huì)忽略工具分辨率或切口寬度，錯(cuò)誤地假設(shè)激光切割能實(shí)現(xiàn)無(wú)限窄的切割線。”Sarrafi指出，“然而事實(shí)情況并非如此，盡管激光切割能實(shí)現(xiàn)的切口比其他工藝更窄。典型的切口寬度范圍通常為30~300μm，這取決于激光功率、光學(xué)設(shè)置和切割過(guò)程。切口寬度是需要在設(shè)計(jì)中考慮到的一點(diǎn)。”
另一個(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤是使用微型接頭來(lái)支撐小零件，這被稱(chēng)為"tabbing"。
“激光切割使用高壓氣體（氮?dú)馇懈顬?~25巴），因此，需要切割的零件要么由自身的重量支撐，如果零件厚度超過(guò)2~3mm并且尺寸相對(duì)較大的話，這種方法沒(méi)問(wèn)題；但是對(duì)于薄而小的零件，為了抵抗氣流的壓力，需要對(duì)它們進(jìn)行固定。”Sarrafi說(shuō)，“這些微接頭非常小，寬度在0.2~0.4mm，所以它們很容易在后處理中斷裂，但有時(shí)必須要用它們將零件連接到框架上，以保證零件不會(huì)被吹走。”
圖片來(lái)源Bystronic
高效激光切割的要領(lǐng)
關(guān)于激光切割有一個(gè)普遍的誤解，就是效率只是激光功率的問(wèn)題。這種誤解部分源于CO2系統(tǒng)的遺留問(wèn)題，但是光纖激光技術(shù)的快速發(fā)展，使得切割效率不僅僅與激光功率有關(guān)。“雖然原始切割功率正在增加，但仍需要考慮其他因素。”Buholzer說(shuō)，“從技術(shù)上來(lái)講，特別是對(duì)于薄材料切割而言，為了充分利用額外的切割功率，也需要增加機(jī)械動(dòng)力學(xué)方面的靈活性（加速/減速）。”加速和減速是限制切割效率的一個(gè)主要因素。
即使將切割速度翻倍，也不一定就能實(shí)現(xiàn)加工周期的等效縮短，因?yàn)榧庸ぶ芷谥饕Q于被切割零件的幾何形狀，正如Sarrafi解釋的：“盡管能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的切割速度，比如每分鐘2000英寸或每秒1英寸，但是對(duì)于具有復(fù)雜特征的小于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?yàn)樵陂_(kāi)啟全速切割之前，必須要將切割頭移動(dòng)到另一個(gè)地方。”
從另一個(gè)方面來(lái)看，對(duì)于大型零件或是形狀不復(fù)雜的零件，則能充分享受激光切割的高速優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵谶@種情況下，加速和減速并不是效率的主要限制因素。“你真正需要的是一個(gè)很好的光束傳輸系統(tǒng)來(lái)處理需要傳輸?shù)墓β?，包括鏡頭和切割頭等。”Diehl指出。
“激光切割不僅僅是原始功率的問(wèn)題。”他補(bǔ)充道。
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