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基于特殊材料的光纤激光切割试验

Whitney公司常常应客户的需要,进行新材料或特殊材料的光纤激光切割检测与评估,截止目前已经对航空航天业中使用的铝及不锈钢、转子中使用的磁性材料、地板业中使用的锌板以及许多其他材料进行了测试。

  与非热加工工艺相比,光纤激光器在切割上述材料时的优势和挑战,以及与CO2激光器相比在切割高反材料时的优势有哪些?您将在本文中收获答案。

  客户常会带着他们在航空航天、仓储设备制造、建筑与施工、交通等不同行业及部分特殊定制中需要使用的特殊材料找到Whitney进行测试。尽管这些材料从未使用过光纤激光器进行切割,客户依然期待光纤激光器能够胜过他们目前所采用的工艺。

  垫片的成功应用

  Whitney近期测试了一种层压材料,用于制作航空航天业所用的垫片,该材料的基材为0.762 mm,上面层压了几层0.076 mm的层压材料,垫片的总厚度为1.524 mm。Whitney对不锈钢材料及铝材垫片进行了测试。

  “为了使垫片的厚度达到要求的精度,客户可能还需要剥离一两层层压材料,使垫片能够精确地配合安装空间”,Whitney全球销售及产品专员Dale Bartholomew表示。

  以前垫片是机械加工生产的。“机械加工的问题是速度太慢了。”Bartholomew称:“而且机械加工很容易会使部分层压层受到破坏,例如最上面一层会剥落。“因此,成本问题及机械加工生产垫片带来的种种问题迫使客户寻求更好的解决方法,譬如尝试用光纤激光进行切割。”

  Whitney首先测试切割了小样片以确定切割参数,然后进行了实际部件的切割测试。通过使用多种方法进行了测试,也包括从层压层正面和背面分别切割时哪种方式能获得更好的切割效果。“另外就是要精确地设置参数,已确保不会把切割边缘焊接在一起,这是切割薄板时要特别注意的”,Bartholomew表示。“如果切割边缘被焊在一起,你就无法剥离层压层了。”

  通过各种不同的参数对大量样件进行测试,从层压层正面切割、背面切割、不同的切割速度,最终确认光纤激光器能在避免焊接切割边缘和破坏层压层的情况下对垫片进行切割。“这种情况下,我们的切割速度,从铝质垫片背面切割时,可以达到22.86 m/min,对不锈钢垫片切割时,速度可以达到3.048 m/min”,Bartholomew说道。

  尽管Whitney已经证明了光纤激光器可以切割垫片,但航空航天行业客户自己必须进行一些测试。“他们担心疲劳性能,”Bartholomew说道,“由于这些材料通常不用典型的热加工切割,就必须测试切割工艺中的热影响是否增加故障的可能性。很明显通常采用的机械工艺不会产生热影响。”

  那么,切割薄片材料时光纤激光切割机需要如何做呢?其实你需要做的是如何连接激光光束传输系统。Bartholomew表示:“不同的光束直径、准直长度,镜片和焦距组合在一起会影响光束对材料的作用。调整好参数才能正确应用。”

  所有的因素会产生综合作用,他补充道,“适合某种材料的参数或许在切割另一种材料时就需要进行调整。对于薄片材料,功率和聚焦镜是最重要的因素。”

  磁性材料

  Whitney近期刚完成测试的另一种材料,是用于制造电机和发动机转子的层状金属中的磁性不锈钢。零件具有复杂的外形,材料厚度仅有0.0635 mm,对容差有极为严格的要求。切割的每一片都必须精确地相同,然后再根据制造商的需求在两片之间放入其他材料。

  零件采用冲压而成,需要精密的模具。“客户正在寻求一种小批量切割工艺。”Bartholomew说,“因为冲压的模具可能会非常昂贵,所以他们希望能够找到一种不需要太快,但是操作成本更低的方式。”

  通过对标准光纤激光器的参数调整,Whitney成功地对磁性材料进行了切割,速度可达10.16 m/min。调整的参数包括功率、速度及焦距。辅助气体压力和喷嘴类型也被进行了优化,用以取得最快的切割速度和最清洁的切割工艺。

  光纤激光切割的挑战不在于切割本身,而在于应用。“材料本身的磁性不能被改变,”Bartholomew说道,“因为那将改变不锈钢片跟马达及磁场的相互作用。同样,加工时材料表面的热输入将影响材料的结构,进而影响磁性。”客户正在测试其性能来确定用光纤激光器切割是否可行。

  成型地板

  Whitney近期进行光纤激光器测试的第三种材料是纯锌板。要求测试的客户用纯锌板制作线框,在制作花纹地板时用来固定瓷砖。切片厚度为6.35 mm,宽度为3.175 mm,具有复杂的形状。

  

  Whitney公司近日对用于制作花纹地砖的边框的纯锌板进行了光纤激光切割测试。

  锌板厚度为0.25 mm,宽度为0.125 mm,具有复杂的形状。

  通常会用水刀来切割线框,但是这种工艺比较慢,大约0.3556m/min。而Whitney用光纤激光器切割锌板时,速度可以达到10.16 m/min。

  切割复合材料的可能性

  一种客户要求但Whitney尚未进行测试的是一种金属和塑料的复合层压材料。“我们还不确定能否顺利切割,”Bartholomew说。“金属部分是没有问题的,但我们不确定夹在金属间的塑料层。激光光束有可能直接穿过,然而塑料需要吸收光束才能被切割。”

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