光纖耦合激光為系統(tǒng)制造商和用戶打開了新的前景。節(jié)能和提高產(chǎn)出量，幫助這項(xiàng)靈活的切割技術(shù)特別是在薄板加工方面明顯地提高生產(chǎn)率前提是與該技術(shù)應(yīng)相互適用。

　　在過去十年里，激光切割在世界范圍內(nèi)計(jì)件加工企業(yè)中以及在生產(chǎn)企業(yè)批量加工中的應(yīng)用，和這方面相關(guān)的國(guó)際研究活動(dòng)一樣經(jīng)歷了可觀的繼續(xù)發(fā)展。隨著激光源、機(jī)器技術(shù)、過程自動(dòng)化以及需要切割的材料上種種創(chuàng)新的出現(xiàn)，隨之而來(lái)的是世界范圍內(nèi)正處于變革當(dāng)中的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)上的各種要求。在新近舉辦的博覽會(huì)，如漢諾威2010年Euroblech博覽會(huì)和國(guó)際專業(yè)會(huì)議如美國(guó)Anaheim舉辦的Icaleo會(huì)議上，均可令人印象深刻地看出激光切割方面當(dāng)前的技術(shù)水平和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　在過去的五年里，光纖激光器和玻璃激光器的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)的CO2激光切割市場(chǎng)變得越來(lái)越不穩(wěn)定了。根據(jù)視角的不同，系統(tǒng)制造商、用戶和研究機(jī)構(gòu)對(duì)此做出的反應(yīng)不一，從面臨對(duì)傳統(tǒng)市場(chǎng)的威脅表示拒絕到面對(duì)將要打開的機(jī)遇而毫無(wú)保留地表示歡迎。要等到云開霧散，可能還需要若干年。在此期間，新型激光器的性能是不可能一筆勾銷的。另一方面，CO2碳激光技術(shù)保留下來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)也依然值得重視。

　　雖說(shuō)如此，光纖耦合激光技術(shù)的高系統(tǒng)效率和高可用性，包括調(diào)節(jié)面、運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)費(fèi)用的減少，仍然贏得了市場(chǎng)的關(guān)注。諧振器的預(yù)熱沒有時(shí)間損失，光束的引導(dǎo)不必再供應(yīng)沖洗氣體，也不必再做定期（或不定期）的補(bǔ)充校準(zhǔn)了這些對(duì)經(jīng)過共患難的傳統(tǒng)激光技術(shù)的用戶來(lái)說(shuō)都是強(qiáng)有力的論據(jù)。雖則如此，光纖耦合的激光系統(tǒng)在大材料厚度切割時(shí)能夠取得的切割質(zhì)量方面的局限性依然不可逾越。不過，這種技術(shù)得到某些客戶市場(chǎng)的認(rèn)可，而且通過雄心勃勃的努力研究，也一再推向了更大的板材厚度。

圖1 正在高速切割1.2mm厚的車身板材

　　早在上個(gè)世紀(jì)九十年代，在2008年第一臺(tái)玻璃激光平板式切割設(shè)備上市之前，Trumpf公司就向市場(chǎng)推出了光纖耦合的平板式激光切割設(shè)備，其基礎(chǔ)是光泵Nd:YAG激光器，射束質(zhì)量依然為12 mm*mrad。新型激光切割技術(shù)的先驅(qū)者是印度的Sahajanand公司和意大利Finsomac集團(tuán)的Cy-Laser。二者均于2005年安裝了第一批激光切割設(shè)備。 即使不把純粹的管加工和3D設(shè)備也計(jì)算進(jìn)來(lái)，在弗勞恩霍費(fèi)爾ILT研究所不久前所做的市場(chǎng)調(diào)研范圍內(nèi)，全世界就已經(jīng)調(diào)查出了24家用于鋼板加工的光纖耦合Multi-kW-激光平板切割設(shè)備，這些公司相應(yīng)的主要產(chǎn)品匯集如圖2。

圖2 按字母順序排列的24家制造廠商的光纖耦合激光平床切割設(shè)備

　　機(jī)器提供商把五家不同公司的激光源集成在一起，其中IPG提供了他們當(dāng)中2/3以上的光纖激光器。1/4的機(jī)器制造商屬于Multi-kW-激光平板切割設(shè)備著名的世界市場(chǎng)領(lǐng)先者，有1/3以上的廠家迄今主要是因制造采用等離子和火焰切割以及沖切和水射流技術(shù)的機(jī)器而出了名的。他們抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，擴(kuò)大了自己的產(chǎn)品范圍。其中有幾家公司還在一臺(tái)機(jī)器里把一個(gè)或多個(gè)激光切割頭和上述傳統(tǒng)切割技術(shù)組合起來(lái)使用。

　　激光源在可以達(dá)到的切割速度和切割質(zhì)量方面所具有的潛力，只有在同時(shí)也采用合適的激光射束光學(xué)儀器和切割氣體噴嘴、過程傳感器和調(diào)節(jié)回路、足夠的機(jī)器動(dòng)態(tài)性能和剛性以及高效的鋼板裝卸裝置，在實(shí)踐中加以落實(shí)才有意義。此外還必須滿足相關(guān)的安全規(guī)定。

　　最后在材料、厚度范圍、零件尺寸、切割輪廓和必要的產(chǎn)量方面起決定作用的是作為項(xiàng)目的切割設(shè)備當(dāng)前和未來(lái)的用途，是它決定著哪種系統(tǒng)提供的解決方案最為經(jīng)濟(jì)合算。

　　對(duì)激光切割基本理解的前提是對(duì)工藝過程的詳細(xì)觀察。高速攝像在時(shí)間和空間上提供很高的分辨率，可以觀察激光切割過程的動(dòng)態(tài)情況。弗勞恩霍費(fèi)爾ILT研究所以這種方式得以發(fā)現(xiàn)并弄清了用10μm波長(zhǎng)和1μm波長(zhǎng)的激光對(duì)不銹鋼切割時(shí)的根本差別。當(dāng)除了波長(zhǎng)之外所用的其它工藝過程參數(shù)相同情況下，使用光纖激光器時(shí)的動(dòng)態(tài)波動(dòng)的熔液流和在CO2激光切割情況下平滑而均勻的正面切割現(xiàn)象有著明顯的差別（圖3）。

　　圖3 CO2激光（左）和光纖激光切割4mm厚不銹鋼的切割正面高速攝像圖片

　　在對(duì)參數(shù)相關(guān)性理解上的先驅(qū)性，成為在全球競(jìng)爭(zhēng)中成功設(shè)計(jì)現(xiàn)今加工工藝過程的關(guān)鍵。假如需要對(duì)優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)倪^程參數(shù)做出預(yù)言而又不會(huì)因?yàn)楹臅r(shí)費(fèi)力的大量測(cè)試而浪費(fèi)資源的話，那仿真計(jì)算就是可供選擇的工具。能夠描述固定式過程監(jiān)控并經(jīng)得起在廣闊的戰(zhàn)線上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較的具備足夠水平的激光切割理論模型少之又少。不過，是否必須對(duì)可以達(dá)到的切割速度和切割質(zhì)量的原因去深入思考，或者是否能夠計(jì)算出對(duì)作為過程參數(shù)（如波長(zhǎng)、射束的功率和質(zhì)量、聚束系數(shù)和焦點(diǎn)位置）功能的質(zhì)量起決定作用的速度極限和工藝過程特性，這中間又有很大的差別（圖4）。

　　圖4 仿真計(jì)算CO2激光切割正面的固定狀態(tài)

　　弗勞恩霍費(fèi)爾ILT研究所使用仿真程序Calcut對(duì)采用1μm波長(zhǎng)的激光器切割時(shí)多重反射造成的提高速度的積極作用以及降低穩(wěn)定性的負(fù)面影響進(jìn)行了澄清。目前，切割過程的動(dòng)態(tài)性能也日益得到基礎(chǔ)的理論分析。計(jì)算機(jī)硬件以及數(shù)字方法的改進(jìn)，在對(duì)激光/氣體/材料系統(tǒng)中的交互作用進(jìn)行與時(shí)間相關(guān)的計(jì)算時(shí)以及在對(duì)過程結(jié)果做預(yù)測(cè)方面提供了重大的進(jìn)展。國(guó)際上在這個(gè)領(lǐng)域所做的努力也在與日俱增，今后也將不斷對(duì)激光切割過程的進(jìn)一步揭密吹吹風(fēng)。

　　激光切割系統(tǒng)包括一套激光源、射束引導(dǎo)和射束成型光學(xué)儀器、一臺(tái)用于光束和材料控制的機(jī)器和一套控制單元。激光源提供激光功率和激光質(zhì)量。1μm激光的波長(zhǎng)較短，可以有效地切割包括紫銅和黃銅在內(nèi)的有色金屬。切割非金屬也有激光方案。特別是復(fù)合材料，像光纖增強(qiáng)型塑料，如今的意義越來(lái)越重要，例如在運(yùn)輸領(lǐng)域。由于在非金屬中的吸收甚高，這為CO2激光器打開了進(jìn)入新型市場(chǎng)的良好機(jī)遇。

　　千瓦級(jí)的超短脈沖激光器由于具有非線性的射束-材料相互作用而可以進(jìn)行保護(hù)材料但卻非常有效的切割，將來(lái)也將具有越來(lái)越重要的意義。

　　利用高射束質(zhì)量激光器獲得的自由度，目前還遠(yuǎn)未挖掘殆盡。這種激光器提供的改進(jìn)潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前的參數(shù)范圍，因?yàn)檫@種激光器允許射束工具大幅度地按照材料的要求和切割任務(wù)進(jìn)行調(diào)整。射束導(dǎo)向和射束造型決定所使用的射束特性。據(jù)此，今后激光過程開發(fā)的一項(xiàng)重要任務(wù)是，利用全面的光學(xué)設(shè)備，對(duì)激光能、波長(zhǎng)、極化以及輻射向量等在時(shí)間和空間上的分布進(jìn)行恰如其分的控制。

　　高動(dòng)態(tài)的射束或材料的運(yùn)動(dòng)，可以用掃描儀或直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。切割氣體支持的高速切割以及無(wú)切割氣體的遙控切割方面的最新成果表明，利用適當(dāng)?shù)纳涫煨秃蜕涫刂?，在薄板加工方面可以達(dá)到前所未有的生產(chǎn)率（圖5）。當(dāng)前的基準(zhǔn)是用4kW的激光功率以100m/min切割1mm厚的鋼板。

　圖5 遙控切割0.5mm不銹鋼板

　　這種過程的調(diào)整和運(yùn)行，需要具備全面的過程知識(shí)，而且這些知識(shí)最理想的方式是安裝在機(jī)器的控制裝置里。當(dāng)前的認(rèn)知是對(duì)未來(lái)系統(tǒng)提出相應(yīng)的關(guān)鍵要求。借助成像的傳感器、超模型支持的智能數(shù)據(jù)處理和自我優(yōu)化切割機(jī)參數(shù)調(diào)整的封閉式調(diào)節(jié)回路，就可以實(shí)現(xiàn)這一認(rèn)知。這對(duì)新的十年來(lái)說(shuō)，即使像對(duì)激光切割這樣一種成熟的技術(shù)來(lái)說(shuō)，也是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

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