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市場研究

高功率激光切割優(yōu)勢

星之球科技 來源:榮格2017-04-16 我要評論(0 )   

盡管切割速度更快,生產(chǎn)率更高的應(yīng)用于金屬2D切割的高功率固態(tài)激光器讓大多數(shù)金屬制造商感到振奮,但要控制和操縱好這類激光器的功率依然頗費(fèi)周章。機(jī)床生產(chǎn)商不斷推出...

盡管切割速度更快,生產(chǎn)率更高的應(yīng)用于金屬2D切割的高功率固態(tài)激光器讓大多數(shù)金屬制造商感到振奮,但要控制和操縱好這類激光器的功率依然頗費(fèi)周章。機(jī)床生產(chǎn)商不斷推出更高功率的激光器。但為了充分發(fā)揮這一優(yōu)勢,他們需要設(shè)計(jì)出能滿足激光器苛刻要求的系統(tǒng)。機(jī)器本身必須能夠控制用這種高功率切割時(shí)所存在的變化,以確保加工不僅速度快,而且可靠,以便制造商可以充分發(fā)揮這種激光器的性能。
 
固態(tài)激光器的基本原理
 
為了理解固態(tài)激光器——有時(shí)在機(jī)床車間也被稱作為“光纖”激光器,讓我們先從最基礎(chǔ)的知識開始:這其中包括其與二氧化碳激光器技術(shù)相比所呈現(xiàn)的差異,以及如何正確描述各種不同形態(tài)的固態(tài)激光器等等。對機(jī)床應(yīng)用來說,波長為10.6μm的頗具可靠性的二氧化碳激光器是過去幾十年間的首選方案。二氧化碳是用于形成激光束的兩種常用氣體之一,另外的氣體是氦氣與氮?dú)?。這些氣體在振蕩器內(nèi)保持活躍并起到作用,直到最終被消耗掉。與此相對,固態(tài)激光器技術(shù)則使用固體元件(通常是YAG或摻雜了稀土的玻璃晶體),以同樣的方式產(chǎn)生激光束。不同的固態(tài)激光器光源(如碟片型、光纖型、或棒型)是根據(jù)作為摻雜劑載體的晶體形狀來定義的。機(jī)床生產(chǎn)商可購得的兩種被討論最多的固態(tài)激光器技術(shù),即碟片激光器和光纖激光器,產(chǎn)生的光束均為1μm。從最基本的意義上看,兩者的區(qū)別在于,其中一個(gè)光源的活躍部件像一只小碟片,而另一種是用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器。
 
固態(tài)激光技術(shù)在(2D、3D和圓形)鈑金切割中得到了廣泛的應(yīng)用,因?yàn)?μm激光束潛在的能量密度要遠(yuǎn)高于二氧化碳激光器。這是由最小的焦斑直徑以及材料對光束波長吸收性更好所產(chǎn)生的結(jié)果。用戶從這類激光器得到的好處通常是能夠以非??斓乃俣惹懈铋T類廣泛的金屬,包括黃銅、青銅和更容易形成等離子體的特殊材料。
 
攻克挑戰(zhàn)
 
盡管固態(tài)激光器速度更快,使用更簡單,但這種技術(shù)也面臨著自身的難題和挑戰(zhàn)。由于2D激光器的平均切口寬度非常窄,通過切口的輔助氣體流量非常小,從而使得材料從切口中射出比較困難。因此這種技術(shù)通常用于加工薄型材料。這與鈑金加工行業(yè)對功率越來越大的激光器的需求相反。因?yàn)楦弋a(chǎn)量可以直接轉(zhuǎn)化為更高速的切割、更厚的材料加工能力以及更好的邊緣質(zhì)量。德國通快(TRUMPF)集團(tuán)通過研發(fā)BrightLine光纖技術(shù)打破了這個(gè)局限。該技術(shù)可以提供一種非常小、另一種非常大的兩種極為不同的光束直徑控制范圍。通過瞄準(zhǔn)來簡單控制激光束直徑不是一個(gè)充分的解決方案,因此這種光纖技術(shù)對任何尋求在全天的加工任務(wù)中能靈活加工全系列材料類型和厚度的工廠來說,特別受青睞。
 
 
圖1: 在采用配置了BrightLine 光纖技術(shù)的TruLaser 5030 光纖激光機(jī)上, 使用8kW的TruDisk激光器切割1 英寸碳鋼。
 
隨著市場對鈑金加工用固態(tài)激光器需求的增加,以及BrightLine Fiber專利技術(shù)極大擴(kuò)展了材料加工的效率,人們將目光轉(zhuǎn)向了功率更高、特別是6-8kW范圍的激光器(圖1)。這種高功率在CO2激光平臺并不常見。功率的提高對薄質(zhì)材料的實(shí)際影響很小,因?yàn)楹苌儆胁考捎梅浅iL的線性切割。因此,每分鐘達(dá)上千英寸的潛在切割速度是不太可能實(shí)現(xiàn)的。
 
切割中等厚度的材料(如11或7Ga的碳鋼)時(shí),產(chǎn)量的提升最顯著。在這個(gè)厚度范圍內(nèi),固態(tài)激光器的切割速度要比CO2激光器快好多倍,但依然不足以達(dá)到潛在最高的切割速度。對于那些購買新的高功率激光器的企業(yè)而言,最大的希望和突破可能是使用氮?dú)馇懈?.25 英寸的碳鋼(圖2)。盡管CO2激光器能夠提供良好的切割質(zhì)量,但如果要用到大量的氮?dú)?,其速度就不夠快到足以盈利的水平?/div>
 
圖2:激光2D 切割的最大突破是用氮?dú)馔ㄟ^通快的8kW TruDisk 激光器和BrightLine 光纖技術(shù)切割0.25 英寸厚的碳鋼。
 
同時(shí),功率水平這么高的固態(tài)激光器足以為客戶帶來無毛刺的邊緣質(zhì)量,但更重要的是,還可以提高速度。特別是當(dāng)功率達(dá)到8kW 時(shí),從生產(chǎn)能力與氮?dú)夂挠昧恐葋砜?,熔融切割的?yōu)勢明顯,切割0.25英寸的碳鋼時(shí),可以獲得光潔平滑的邊緣,涂布前不需要清潔,因此有望實(shí)現(xiàn)盈利。
 
但功率的增長需要額外的成本。為了說明這些限制因素,可舉幾個(gè)例子。試考慮設(shè)備本身的動態(tài)狀況以及傳輸部件所需的巨大的能量密度。如上所述,每分鐘切割數(shù)千英寸是一件令人贊嘆的事,但如果給切割頭定位的運(yùn)動單元太重,不能準(zhǔn)確而穩(wěn)定地將機(jī)器加速至最高速度,那么它就沒有價(jià)值。人們可能會期望機(jī)床制造商安裝更大、更強(qiáng)的驅(qū)動元件,但事情并非如此簡單。如果不顯著降低運(yùn)動單元的重量,被切割部件的幾何形狀的精度就會受到影響,并且施加到運(yùn)動單元和機(jī)架上的大量的慣性會在加速時(shí)造成部件扭曲,從而使驅(qū)動元件受到磨損。
 
有了光束傳輸部件, 一旦達(dá)到高的功率(如6kW或8kW),切割頭中對焦鏡頭的能量密度足夠高,以至于實(shí)際對焦點(diǎn)開始在那些足夠長的切口上移動,從而確保激光束呈滿功率激活狀態(tài)。這造成了一個(gè)很大的挑戰(zhàn),因?yàn)榍懈钸^程可能會不穩(wěn)定,除非有現(xiàn)成的元件可以積極地監(jiān)測這些可變因素。
 
高功率激光器的集成
 
因而需要探索能夠?qū)⒏吖β始す馄鞒晒捎谄脚_式機(jī)床上的方法。為此,我們將以配有8kW TruDisk光纖激光器(圖3)的通快TruLaser 5030光纖激光機(jī)為例。在開發(fā)這個(gè)平臺時(shí),利用了可用于激光焊接的先進(jìn)連接技術(shù),以增加部件強(qiáng)度、剛度,并實(shí)現(xiàn)大幅減重的設(shè)計(jì)。通過減輕質(zhì)量,并提供動態(tài)性能更高的架構(gòu),激光焊接工藝在TruLaser 5030光纖激光機(jī)上實(shí)現(xiàn)了更快、更強(qiáng)的驅(qū)動。驅(qū)動裝置現(xiàn)在可以通過切割工藝,以極高的速率加速,這個(gè)被稱為“急速拉伸”的加速速率是當(dāng)今市場上任何其它解決方案所不能匹敵的。這也是影響鈑金2D切割等常見輪廓密集型部件切割應(yīng)用的最大因素。
 
圖3:通快TruDisk 碟片激光器的腔體
 
現(xiàn)在,機(jī)床制造商以及終端產(chǎn)品制造商有能力掌控6kW或8kW激光器的性能,不會在運(yùn)動單元與框架之間造成沖突,從而避免引發(fā)后續(xù)的各種不穩(wěn)定因素。
 
盡管僅通過創(chuàng)新的焊接工藝和聰明的工程制造可以打破驅(qū)動部件的局限,但對切割單元焦點(diǎn)偏移的控制則更具挑戰(zhàn)。像通快這樣的垂直整合企業(yè)的優(yōu)勢在于有能力控制整個(gè)工藝環(huán)節(jié),包括激光光束的形成、與激光器及光學(xué)器件的連接到光學(xué)器件本身。例如,TruLaser 5030 fiber光纖型激光切割機(jī)的光學(xué)器件內(nèi)就包含光傳感器。這個(gè)光傳感器系特別為機(jī)器的一系列平臺打造,以主動監(jiān)測焦斑直徑以及激光束模式。這將確保6kW或8kW激光器的焦點(diǎn)漂移因素得到考慮,并能在切割過程中主動調(diào)節(jié)焦點(diǎn)的位置。如果沒有這項(xiàng)技術(shù),制造商幾乎不可能切割各種不同幾何形狀和厚度的部件,特別在自動化環(huán)境中更是如此。
 
即便現(xiàn)在可以向制造商提供多種激光功率,市場的趨勢依然是希望激光加工中有更多選擇。為滿足這些要求,那些能迅速對更高的功率需求做出適當(dāng)反應(yīng)的制造商將會向市場引入新的創(chuàng)新技術(shù)。

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高功率激光切割優(yōu)勢比較
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