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  激光在銅/鋁合金材料的加工解決方案


      隨著科學技術的發展,激光加工越來越常見,激光切割作為一種加工手段廣泛應用于各種金屬及非金屬的材料的加工中。采用傳統的剪床、沖床、線切割、等離子切割、火焰切割、水切割、電化學腐蝕等加工方式,會存在變形大,精度差,耗材昂貴,不環保,柔性化程度低等問題。采用激光切割可大大減少加工時間,降低加工成本,提高工件質量,實現柔性化生產,生產過程中更節能環保。


  根據行業信息反饋市場上對高反材料特別是銅、鋁及其合金的激光切割需求日趨旺盛。對此類材料的加工精度和加工速度要求越來越高,對激光切割的穩定性要求更高。而銅、鋁及其合金由于自身的一些特性造成激光切割不易加工。正業激光始終堅持激光工藝的研發和探索,針對客戶對于銅、鋁合金切割的需求,通過不懈努力攻克了這一難題,為客戶提供了全面的銅、鋁合金精密激光加工解決方案。

激光切割原理

激光切割有兩種方式,一種是采用切割頭切割的方式,另一種是采用激光振鏡切割的方式。
  切割頭切割方式如圖1中A所示,激光光束經過聚焦鏡聚焦在加工工件上,高功率密度激光束使被照射的工件局部材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點,同時高速輔助氣體與光束同軸吹出,將熔融物質吹開,激光切割頭與工件做相對運動,從而實現材料的切割。切割頭切割方式適合切割0.15mm以上厚度的材料。

  激光振鏡切割的方式如圖1中B所示, 激光光束經過振鏡反射、F-θ透鏡聚焦后,照射在加工工件上,高功率密度激光束使被照射的工件局部材料迅速熔化、汽化,將材料穿透,振鏡電機帶動振鏡旋轉,聚焦光斑在材料上移動,從而實現將工件割開。振鏡的切割方式適合切極薄的材料,例如電池行業用的銅箔、鋁箔。

   A切割頭切割原理                                                                    B振鏡切割原理
 圖1 激光切割原理

加工激光波長的選擇
銅、鋁具有合金具有高反射率的特點,對激光的吸收率極低,同時還有良好的導熱性能。激光照射在此類材料上,大部分能量會被反射出去,同時還會迅速的將被照射部分的熱量傳遞到周圍。造成了銅、鋁合金材料激光切割極其困難,甚至不能被加工。

下圖2為材料對不同波長激光的吸收率比較。
材料對不同波長激光吸收率比較


  通過上圖的比較可以發現,銅鋁材料對10μm波長附近的激光吸收率極低,因此10.6μm波長的CO2激光不易切割此類材料。事實上大部分高功率的CO2激光反射鏡材質是銅,正是利用了銅的高反射率及高導熱性。如果采用較高功率的CO2激光,鋁及其合金能夠進行加工,但是加工質量和效率較低。

在355nm及532nm波長附近的激光銅、鋁的吸收率都很高,但此類激光器的功率較低,造成了激光切割速度較低,不能加工較厚的材料,如果加工極薄的銅箔鋁箔,加工效果好,但成本較高。

YAG激光的波長為1064nm,銅、鋁的吸收率比CO2激光高,加工效率較高,但是YAG激光器需要經常的進行停機維護,更換易損的配件,光電轉換效率低,能耗高,需要較高的維護成本。

光纖激光的波長為1070nm,銅鋁的吸收比CO2激光高,同時光纖激光器的輸出功率越來越高,且光纖激光器免維護,光電轉換效率高,較為節能,因此光纖激光成了銅、鋁合金的激光切割的最優選擇。

激光加工銅鋁合金的優勢

極薄的銅、鋁合金材料,厚度在0.15mm以下可以采用振鏡切割的方式,厚度稍大的可以采用切割頭切割的方式來加工。

  加工的材料極薄時,例如鋰電行業用的電極,適宜使用較低功率的脈沖光纖激光器,可以使用振鏡的加工方式。激光器發出的激光經過兩個振鏡反射,F-θ透鏡的聚焦,匯聚在材料表面。脈沖激光器的峰值功率極高,工件表面吸收高能量的激光后溫度急劇上升至沸點以上,部分材料以蒸汽的形式逸出,部分材料以液態形式噴出。兩個電機帶動振鏡偏轉,激光的匯聚位置隨之移動,將材料切開。
  脈沖光纖激光器可以有效的消除激光后返引起的激光器不穩定的問題,可以高效穩定的對材料進行加工。正業激光采用振鏡方式加工極薄的銅/鋁合金材料有以下優點:
   1.加工速度快,振鏡負載輕,可以快速轉動,加工復雜圖形效率高;
   2.可以實現卷對卷加工,在線加工;
   3.加工后邊緣平整,熱影響極??;
   4.可以實現柔性加工,更改切割樣式只需更改加工圖形;
   5.只需消耗少量電能,無需其他耗材。

稍厚的銅/鋁合金材料可以采用切割頭切方式。光纖激光經過聚焦鏡聚焦,高能量密度的激光照射在工件上,一部分光被吸收,另一部分光被工件反射。工件表面吸收部分激光能量后溫度急劇升高,材料熔化、氣化,產生黑洞效應,使材料吸收率提高,更迅速的加熱切割區材料,使更多的材料融化、氣化,同時同軸吹出的氣體將融化、氣化的材料吹走,直至材料被激光穿透,形成穿孔。數控系統控制激光切割頭與工件做相對運動,同時激光仍然與材料相互作用,持續將工件切割,直至工件完成加工。
在激光照射在工件表面還未融化材料或切割行進過程中,部分激光會被工件反射,沿光路反射回激光器內部,引起激光器的功率不穩定,甚至導致激光器損壞。造成激光切割中斷,無法正常加工。

  正業激光通過以下幾個方法解決了上述問題。

  1.選擇帶有防背反功能的激光器,激光反射會激光器時,反射的激光會被吸收掉,防止進入激光器諧振腔,從而保護了激光器的正常工作。
  2.采用特殊工藝,防止激光沿光路返回激光器。
  3.采用特殊工藝,加大材料的吸收率,加速激光穿孔與激光切割的過程。

  正業激光采用特殊的工藝方法后切割銅鋁合金材料的優點如下:

  1.加工產品精度高,設備采用天然花崗巖基座,高精度導軌保證了加工精度;
  2.專用的數控系統,直線電機,加工速度快;
  3.無接觸式加工,產品平整度好;
  4.切割斷面質量高,無需后續處理;
  5.切割縫寬窄,消耗材料少;
  6.可以實現柔性加工,更改切割樣式只需更改加工圖形;
  7.全封閉式光路,加工質量穩定,減少停機維護時間;
  8.光纖激光器光電轉換效率高,能耗少。

圖3銅合金激光切割
材料對不同波長激光吸收率比較

圖4鋁合金激光切割

鋁合金激光切割
  現在正業激光可以為客戶提供成熟的激光加工銅、鋁合金解決方案,研發的設備可以加工各種精密的金屬鈑金零部件。各種高反材料,包括銅、鋁合金都可以高效的進行優質激光加工。



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