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    多功能激光加工機該如何選擇?

    發布時間:2019-07-18 16:42:03  瀏覽次數:

      多功能激光加工機的市場銷售動向

      目前,在鈑金加工行業內主要的金屬鈑金切割激光加工機有2種,一種是大約20年前從工業激光改造成產品的CO2激光加工機,另一種是大概5年前正式從工業激光改造成產品的光纖激光加工機。從近幾年中國鈑金設備市場中激光加工光機的銷售臺數來看,CO2激光加工機占40%而光纖激光加工機占到60%。雖然2007年的時候,在市場上銷售的激光加工機基本上100%是CO2激光加工機,但是我們知道,近年來光纖激光加工機的勢頭猛烈,正在不斷地被市場認可,銷售臺數正逐步擴大。

      CO2激光和光纖激光的基本區別

      雖然現在的市場趨勢是偏向光纖激光加工機,但是光纖激光加工機真的是最好的選擇嗎?CO2激光和光纖激光,兩者因激光的物理特征不同,所以激光加工的工藝也不同。當然實際上兩者有各自的長處和短處,根據加工對象的不同,各自有優勢也有劣勢。

      CO2激光是通過激發二氧化碳分子而得到的氣體光束,它的波長是10.6μm;而光纖激光是在光纖中放入一種作為媒介的Yb(ytterbium)化合物的結晶,將這個結晶體用光束照射后得到的固體激光,它的波長是1.08μm。波長不同這一物理特點對兩者的加工特性帶來很大的影響。

      最初光纖激光這一概念是由于它是通過光纖能夠傳播的激光被人認識的。能夠通過光纖進行傳播的原因在于它的波長,正因為它1.08μm的波長,才能夠通過光纖進行傳播。用光纖進行傳播的優勢就是它的光學部品的使用壽命較長以及維護性能較高。

      CO2激光加工機從發振器到加工點,是借助反射鏡傳播激光的,一般是在與外界空氣隔離的光路內進行傳播。光路內雖然被沒有普通灰塵或異物的空氣所填滿,但是反射鏡的表面經過長時間使用以后,也會被臟東西附著,需要進行清掃。另外,反射鏡本身也會因吸收微量的激光能源而損耗,需要進行更換。再加上要從發振器到加工點傳播激光,需要用多個反射鏡來調整激光的反射角度進行傳播,所以要維持正常的運行需要一定的技術能力和管理。

      但是,光纖激光加工機從發振器到加工點,激光是經由1根光纖來傳播的。這根光纖一般被叫做導光光纖。由于不需要像反射鏡那樣的光學部品,又是在與外界空氣隔離的導光光纖內傳播激光的,所以激光幾乎不會被損耗,可是嚴格說來,激光在導光光纖的外圍進行反復傳播,所以導光光纖自己本身多少會有所損耗,不過這個和CO2激光加工機中的反射鏡相比,使用壽命要長好幾倍。另外,如果傳播路徑是在導光光纖的最小曲率以上的話,那么就能夠自由決定路徑,所以調整和維持起來也非常方便。

      在激光的生成過程(激光發振器構造)中,兩者也有所不同。CO2激光發振器是將混有CO2的氣體放置在放電空間之后,生成激光的。為了確保從激光輸出功率而得出的共振長正常運作,在發振器的內部配置了光學部品,而且發振器內部的光學部品需要進行定期的清掃和更換。

      光纖激光發振器,就像剛才所提到的,生成激光是在光纖內部進行的,而且與外界空氣相隔離,沒有光學部品,所以就幾乎沒有必要定期維護。

      CO2激光發振器的清掃等維護周期是設定在大約4000個小時,而光纖激光發振器是設定在大約20000個小時。前面所提到的在使用壽命和維護性能等方面,可以說對于光纖激光加工機來說有很大的優勢。

      另外,我們也可以試著從消耗電力之類的運營成本角度也來進行比較。CO2激光發振器的光電轉換率據說大概在10~15%,而光纖激光發振器大概在35~40%。由于光電轉換率高,所以轉變成發散熱量的電氣能源變少,光纖激光加工機才能夠將冷卻機之類的冷卻裝置所消耗的電力控制得更低。一般來說,光纖激光加工機的發振器,對于發振器的冷卻溫度管理相對于CO2發振器來說精度要求更高,但是,同樣的激光輸出功率下,光纖激光加工機的發振器用CO2激光發振器的1/2~2/3左右的冷卻能力就足夠了。所以從激光加工機所有裝置的消耗電力來考慮,光纖激光加工機在CO2激光加工機的1/3左右的消耗電力下就能夠運行,可以說是非常節能的激光加工機。

      加工特性的區別

      在CO2激光和光纖激光的加工方面,因各自的波長不同,兩者的區別很大。

      圖1所示的是在加工不銹鋼材料時,CO2激光加工機和光纖激光加工機的加工速度的比較圖。激光的輸出功率都是4kW。我們可以看到在板厚4.0mm以下的領域中,光纖激光加工機能夠以CO2激光加工機的2~3倍的加工速度進行加工。

      為什么即使在同樣的輸出功率下,加工速度方面會有這么大的差距?首先可以說是因為激光能源對金屬材料的吸收率這一部分存在著很大的差異。不僅僅是金屬材料,世間萬物中,由于物質的物理特性不同,在不同的光的波長下,光能的吸收率也不同。例如上述所舉的不銹鋼材料,它對CO2激光的吸收率大約是12%,而對光纖激光的吸收率是大概35%,相差3倍左右。所謂的吸收率高,是指激光在照射到金屬材料之后,光能轉換成熱能后熔化金屬材料這一步驟的時間非常短,所以也就能夠以很快的加工速度形成切割加工工藝。

      如果要用激光加工機對石英玻璃進行切割加工的話,那么用CO2激光加工機是可以進行切割加工的,但是用光纖激光加工機卻不能進行切割加工。這個是由于石英玻璃可吸收CO2激光的波長,而對光纖激光的波長不吸收反而會穿透這一物理原理引起的。另外,平時我們所說的光纖激光在鋁、銅等高反射性材料的切割領域中,比CO2激光加工機更加有優勢,也是因為金屬材料更能吸收光纖激光的波長這一物理特性的原理。

      在比較不銹鋼材料的加工速度時,我們可以看到在板厚超過6.0mm的領域內,兩者的加工速度是基本相同的。從切割加工的工藝來看,與其參考瞬間熔化金屬的系數,還不如參考如何將熔化的金屬更高效排除的系數更為重要。用激光進行切割加工時,要一邊將輔助氣體(普遍是指氮氣、氧氣等)噴射至加工點一邊將激光照射至材料,這樣才能得到良好的加工狀態。不同的切割對象的材料,采用的輔助氣體也不同。另外,輔助氣體的另一大作用是將熔化后的金屬從材料的下方隔離出來。在加工對象是厚板的情況下,要得到良好的切割狀態,需要輔助氣體發揮作用,把要熔化的金屬從材料的下面部分下方隔離出來,最終可以達到提高加工速度的效果。

      但是,從加工領域和切割品質的角度來看,可以說CO2激光加工機更勝一籌。CO2激光加工機在行業內自實用化以來大概經歷了30年的歷程,它的加工工藝中很多的特性已經被大家研究透徹,所以已經能夠對應從薄板到厚板的加工領域。另外,加工技術也已經非常成熟,可以保證一定的加工品質,不僅僅具備了切割各種形狀的加工技術,同時還具備了能夠確保切割面達到一定粗糙度之類的加工技術。

      用光纖激光加工機的切割加工在保證切割品質方面還有一些難題未能解決。特別是在板厚超過3.0mm的領域內,用光纖激光加工機加工出的產品,切割面的下方會有一些明顯的小顆粒附在表面難以剝離,這些小顆粒就是我們常說的浮渣。另外,切割加工面也與CO2激光加工機相比成形更加粗糙。這個就是上述所說的對金屬材料的吸收度較高這一特性所引起的現象。激光加工是將激光反射至材料表面,然后金屬被熔化之后落下去的過程。光纖激光在吸收率比較高的金屬表面被反射時,會引起反吸收熔化切割面的金屬,導致切割后得到的切割斷面變得粗糙。

      加工品質是難以將其數值化的項目之一,所以很多客戶在選擇激光加工機時不怎么重視。但是,前面所講的浮渣問題就是有關加工品質的問題。采用光纖激光加工機即使速度變快,成本控制得很低,激光切割加工之后,要是需要進行去除浮渣等后道工序的話,總的加工成本與用CO2激光加工機加工出來的成本差不多。意思是說,大家需要更加重視激光切割加工機的加工品質。

      激光加工機的運動性能

      雖然我用光纖激光和CO2激光的概念進行了比較,但是實際在選擇激光加工機時,只要做這樣的比較就可以了嗎?光纖和CO2的概念,始終是激光加工機的構成要素——發振器的比較。激光加工機的構成系統中還有叫X、Y、Z的驅動軸,這個驅動軸的運動性能和控制性能也是一個很大的構成要素。

      激光加工機加工的形狀除了圓孔、方孔、矩形以外還有異形孔、楔形、凹凸等復雜的外觀形狀。所以不管加工速度有多快,如果決定加工形狀的XY驅動軸的運動性能低的話,縮短加工時間也就無望了。假設用光纖激光機加工,加工速度是40m/min,用CO2激光加工機加工,加工速度是20m/min,那么光纖激光機的加工時間會是因為它的速度是CO2激光加工機的2倍,所以在加工某個形狀時,加工時間也是CO2激光加工機的1/2嗎?如果加工的形狀復雜,加工孔數多的話,答案就變成了NO。要明顯體現出加工速度差的話,需要提高驅動軸的運動性能,特別是切割加工時的加減速能力。

      激光加工機的綜合能力

      有了較高的加減速性能,還需要能夠承受其運動性能的強韌的高剛性機架。為了保持產品的加工精度,就需要能夠控制高運動性的內在結構。要最大發揮發振器的激光加工能力,就需要提高包括驅動軸在內的激光加工機的綜合能力。

      因為光纖激光加工機的構成要素相對比較簡單,所以在考慮設計和制造激光加工機時,沒有激光加工技術,也能制造出一定質量的光纖激光加工機。另外,光纖激光加工機的很多構成要素在市場上是可以買得到的,而且將這些構成要素組裝后做出來的加工機其加工能力也基本不遜色。這就是最近為什么制造銷售光纖激光加工機廠家泛濫的原因之一。

      但是在CO2激光加工機中,需要很多像激光傳播之類的加工技術,所以各個加工機廠家之間就很容易出現特征和性能方面的差異。真正的激光加工機的廠家應該具備成熟的技術,有能力設計和制造CO2激光加工機,還要用從生產CO2激光加工機所積累的加工技術能夠用來來設計和制造光纖激光加工機,擁有這樣子加工技術的廠家才是今后加工機市場上所需要的。

      雖然加工精度和加工品質很難用數值來表現,但是能夠始終保持較高的加工精度和加工品質,而且運動性能也非常高的激光加工機才是最好的選擇。但是,在決定之前還需要根據加工內容,進行冷靜判斷。如果加工的材料中薄板比較多,生產量比較大,還想控制加工成本的話,光纖激光加工機是最好的選擇。但是,如果很多時候需要加工超過6.0mm的厚板,或者需要達到一定加工品質的話,CO2激光加工機比較合適。后續作業需要用另外的工藝進行,而且用人力來操作的話,總的加工成本是非常高的。在選擇激光加工機時,除了判斷激光加工工序以外,請從您的產品和制造的角度來進行綜合的判斷。

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