淺析激光在銅/鋁合金材料的加工解決方案
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(yīng)用于各種金屬及非金屬的材料的加工中。采用傳統(tǒng)的剪床、沖床、線切割、等離子切割、火焰切割、水切割、電化學(xué)腐蝕等加工方式，會存在變形大，精度差，耗材昂貴，不環(huán)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(zhì)量，實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中更節(jié)能環(huán)保。
根據(jù)行業(yè)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(wěn)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(yè)激光始終堅持激光工藝的研發(fā)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(jīng)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(dá)到燃點，同時高速輔助氣體與光束同軸吹出，將熔融物質(zhì)吹開，激光切割頭與工件做相對運動，從而實現(xiàn)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(jīng)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(jī)帶動振鏡旋轉(zhuǎn)，聚焦光斑在材料上移動，從而實現(xiàn)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(yè)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(dǎo)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。
圖2 材料對不同波長激光吸收率比較
通過上圖的比較可以發(fā)現(xiàn)，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(zhì)是銅，正是利用了銅的高反射率及高導(dǎo)熱性。如果采用較高功率的CO2激光，鋁及其合金能夠進(jìn)行加工，但是加工質(zhì)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(jīng)常的進(jìn)行停機(jī)維護(hù)，更換易損的配件，光電轉(zhuǎn)換效率低，能耗高，需要較高的維護(hù)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(hù)，光電轉(zhuǎn)換效率高，較為節(jié)能，因此光纖激光成了銅、鋁合金的激光切割的最優(yōu)選擇。
激光加工銅鋁合金的優(yōu)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(yè)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(fā)出的激光經(jīng)過兩個振鏡反射，F(xiàn)-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(tài)形式噴出。兩個電機(jī)帶動振鏡偏轉(zhuǎn)，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(wěn)定的問題，可以高效穩(wěn)定的對材料進(jìn)行加工。正業(yè)激光采用振鏡方式加工極薄的銅/鋁合金材料有以下優(yōu)點：
1、 加工速度快，振鏡負(fù)載輕，可以快速轉(zhuǎn)動，加工復(fù)雜圖形效率高；
2、 可以實現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)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(chǎn)生黑洞效應(yīng)，使材料吸收率提高，更迅速的加熱切割區(qū)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(shù)控系統(tǒng)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(xù)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(jìn)過程中，部分激光會被工件反射，沿光路反射回激光器內(nèi)部，引起激光器的功率不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致激光器損壞。造成激光切割中斷，無法正常加工
- 上一篇：激光切割機(jī)調(diào)焦 你知道是怎樣實現(xiàn)的嗎? 2016/9/23
- 下一篇：激光切割技術(shù)具有很強(qiáng)的適用性以及靈敏性 2016/9/9
