Whitney公司常常應客戶的需要，進行新材料或特殊材料的光纖激光切割檢測與評估。Whitney公司已經對航空航天業中使用的鋁及不銹鋼、轉子中使用的磁性材料以及地板業中使用的鋅板以及許多其他材料進行了測試。本文介紹的是，與非熱加工工藝相比，光纖激光器在切割上述材料時的優勢和挑戰，以及與CO2激光器相比在切割高反材料時的優勢。
客戶常會帶著他們在航空航天、倉儲設備制造、建筑與施工、交通等不同行業及部分特殊定制中需要使用的特殊材料找到Whitney進行測試。盡管這些材料從未使用光纖激光器進行切割，客戶依然期待光纖激光器能夠勝過他們目前所采用的工藝。
墊片的成功應用
Whitney近期測試了一種層壓材料，用于制作航空航天業所用的墊片，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。Whitney對不銹鋼材料及鋁材墊片進行了測試。
“為了使墊片的厚度達到要求的精度，客戶可能還需要剝離一兩層層壓材料，使墊片能夠精確地配合安裝空間”，Whitney全球銷售及產品專員Dale Bartholomew表示。
以前墊片是機械加工生產的。“機械加工的問題是速度太慢了。”Bartholomew稱：“而且機械加工很容易會使部分層壓層受到破壞，例如最上面一層會剝落。”于是，成本問題及機械加工生產墊片帶來的問題使客戶尋求更好的解決方法，嘗試用光纖激光進行切割。
Whitney首先測試切割了小樣片以確定切割參數，然后進行了實際部件的切割測試。Whitney用多種方法進行了測試，也包括從層壓層正面和背面分別切割時哪種方式能獲得更好的切割效果。
“另外就是要精確地設置參數，已確保不會把切割邊緣焊接在一起，這是切割薄板時要特別注意的”，Bartholomew表示。“如果切割邊緣被焊在一起，你就無法剝離層壓層了。”
Whitney用各種不同的參數測試了大量樣件，從層壓層正面切割、背面切割、不同的切割速度，最終確認光纖激光器能在避免焊接切割邊緣和破壞層壓層的情況下對墊片進行切割。“這種情況下，我們的切割速度，從鋁質墊片背面切割時，可以達到22.86m/min，對不銹鋼墊片切割時，速度可以達到3.048m/min，”Bartholomew說道。
盡管Whitney已經證明了光纖激光器可以切割墊片，但航空航天行業客戶自己必須進行一些測試。“他們擔心疲勞性能，”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械工藝不會產生熱影響。”
那么，切割薄片材料時光纖激光切割機需要如何做呢？“其實你需要做的是如何連接激光光束傳輸系統，”Bartholomew表示。“不同的光束直徑、準直長度，鏡片和焦距組合在一起會影響光束對材料的作用。調整好參數才能正確應用。”
所有的因素會產生綜合作用，他補充到。“適合某種材料的參數或許在切割另一種材料時就需要進行調整。對于薄片材料，功率和聚焦鏡是最重要的因素。”
磁性材料
Whitney近期剛完成測試的另一種材料，是用于制造電機和發動機轉子的層狀金屬中的磁性不銹鋼。零件具有復雜的外形，材料厚度僅有0.0635mm，對容差有極為嚴格的要求。切割的每一片都必須精確地相同，然后再根據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。“因為沖壓的模具可能會非常昂貴，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。”
通過對標準光纖激光器的參數調整，Whitney成功地對磁性材料進行了切割，速度可達10.16m/min。調整的參數包括功率、速度及焦距。輔助氣體壓力和噴嘴類型也被進行了優化，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不在于切割本身，而在于應用。“材料本身的磁性不能被改變，”Bartholomew說道。“因為那將改變不銹鋼片跟馬達及磁場的相互作用。同樣，加工時材料表面的熱輸入將影響材料的結構，進而影響磁性。” 客戶正在測試其性能來確定用光纖激光器切割是否可行。
成型地板
Whitney近期進行光纖激光器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，在制作花紋地板時用來固定瓷磚。切片厚度為6.35mm，寬度為3.175mm，具有復雜的形狀。
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。Whitney用光纖激光器切割鋅板時，速度可以達到10.16m/min。
切割復合材料的可能性
一種客戶要求但Whi tney尚未進行測試的是一種金屬和塑料的復合層壓材料。“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激光器的波長正好可以被塑料吸收，所以其在加工塑料時的效果很好。這是光纖激光器和CO2激光器的區別之一。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激光器是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。
用光纖激光器切割特殊材料需要熟悉掌握功率、光束質量、輔助氣體的類型及壓力、噴嘴設計、焦點位置及切割速度等大量知識。優化及平衡這些參數，有時需要我們對機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金屬材料，所以如果應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。
高反材料
作為一種成熟的工藝，光纖激光器在高反材料中的應用是與CO2激光器的又一個顯著區別。“如果你用CO2激光器切割高反材料，那么無論怎樣肯定都是失敗的，因為傳輸至材料的功率或光束都會被反射回來，”Bartholomew說道。“CO2激光器的光束路徑是由一系列鏡片組成的，光束會被反射回諧振腔。大量反射回來功率，會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整。這很復雜，有點難度。”
光纖激光器則更適合切割各種高反材料。“采用設計合理的傳輸光纖，”他說道，“如果反射光進入了光纖，光纖就會將其吸收，讓它無法達到激光源。高反光束沒有機會在光纖中傳播回激光源。”
光纖必須以這種方式設計。Bartholomew提示。“光纜必須設計合理。有些光纖激光器廠商說他們有能夠產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的。這種類型的系統，反射光束依然會影響激光器。如果你準備切割高反材料，就要采用全固態、被設計為減少高反問題的光纖激光器，例如我們選擇的IPG光纖激光器。”
光纖激光器與CO2激光器的比較
對于用戶來說，CO2激光器和光纖激光器之間最大的區別就是操作成本。“一臺CO2激光器的平均運行成本大約為12.50美元/小時，還不包括輔助氣體的成本，”Bartholomew說。“這僅是維護和運營成本。而光纖激光器的運行成本僅為3.50美元/小時。”
“此外，CO2激光器在以氮氣為輔助氣體切割薄板時的速度也不敵光纖激光器，”Bartholomew表示。“光纖激光器在切割薄板時更具速度優勢，這是因為光纖激光在穿過材料時被更好地吸收，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CO2和光纖激光器的切割速度相似。”
光纖激光器比CO2激光器成本低的另一個重要原因與維護相關。對于CO2激光器來說最大的維護成本來自于諧振腔的定期調整或更換。“對于CO2激光器來說，每經過大約12，000小時，你就需要請技術人員，花費2-4萬美元去調整諧振腔。而光纖激光器則完全不需要調整諧振腔。”
操作成本也是CO2激光器的明顯缺點。Bartholomew提示，激光光束是在諧振腔中產生的，需要許多支持設備產生光束，包括風機、鏡片、切割氣體和高壓設備等。此外，為了將光束傳導至切割頭進行操作，還需要冷卻以及調整光束路徑。
如果換成光纖激光器， 所有這些成本問題就都不存在了。“ 一臺真正的光纖激光器是純固態的， 就像我們所使用的IPG光纖激光器，生成的激光光束通過光纖傳導至切割頭，”Bartholomew表示。“以前人們總是認為不能用光纖激光器切割厚板，厚度只能限制在6.35mm以內，”Bartholomew說道。“Whitney的測試結果證明實際上不是這樣的。我們已經用光纖激光器成功切割了19.05mm的厚板，甚至還能用12kW的光纖激光器，以12.7m/min的速度切割6.35mm的碳鋼，比等離子切割還快。”
有一點需要注意的是光纖激光器的切割頭比CO2激光器更為復雜。光纖激光器切割頭是完全密封的，以防止外界污染。對激光頭的維護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境。盡管可以在機器上更換保護鏡片和噴嘴，切割頭的拆卸和維護必須要在清潔通風的環境下進行。
綜合考慮光纖激光器的種種優勢，Bartholomew感受到了激光行業面臨的變革。“目前整個行業正處于過渡階段。許多激光設備產商對CO2激光器中投入了大量成本，所以他們對CO2激光器的推廣遠勝于光纖激光器。同時CO2激光器已經推廣了很多年，很多公司已經具備了將操作CO2激光器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。“有種觀點認為應該按照使用CO2 激光器的方式來使用光纖激光器，但為了能獲得最優的光纖激光器加工工藝，你應該嘗試一些新方法。”
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