El tall per làser, amb els seus avantatges d'alta precisió i eficiència, s'ha aplicat àmpliament en el processament de materials metàl·lics i no{0}}metalls. Tanmateix, quan es tracta de materials altament reflectants (com ara aliatges d'alumini, coure, plata, aliatges de titani i alguns metalls recoberts), s'enfronta a múltiples obstacles tècnics a causa de les propietats òptiques i físiques úniques d'aquests materials. Aquests obstacles no només afecten la qualitat i l'eficiència del processament, sinó que també poden causar danys irreversibles als equips, convertint-se en un coll d'ampolla clau que restringeix la popularització del processament làser per a materials altament reflectants.
I. Obstacle bàsic: "Reacció reflexiva" de l'energia làser i pèrdua de control de qualitat del processament
La característica bàsica dels materials altament reflectants és la seva reflectivitat extremadament alta per al làser (per exemple, la reflectivitat del coure pur per al làser de longitud d'ona de 1064 nm supera el 90% i la de l'aliatge d'alumini és d'uns 80%-85%). Aquesta característica impedeix directament que l'energia làser actuï eficaçment sobre el material, provocant així una sèrie de problemes de processament.
1. Taxa d'utilització d'energia extremadament baixa i forta caiguda de l'eficiència de tall
El principi del tall per làser es basa en enfocar un raig làser d'alta -energia-densitat a la superfície del material per fondre, vaporitzar o trencar el material a l'instant. Tanmateix, els materials altament reflectants reflecteixen la major part de l'energia làser, amb només una petita quantitat absorbida. Per exemple, quan es processa una placa de coure pur de 5 mm-de gruix, la taxa d'absorció d'energia d'una màquina de tall per làser de fibra convencional (longitud d'ona de 1064 nm) és inferior al 10% i es requereix una irradiació repetida per penetrar el material. Això dóna com a resultat una eficiència de tall 3-5 vegades inferior a la de l'acer baix en carboni (amb una taxa d'absorció d'aproximadament el 50%), i fins i tot es pot produir el problema del "tall incomplet". Especialment quan el gruix del material supera els 8 mm, l'acumulació d'energia insuficient pot provocar que quedin rebaves metàl·liques no foses a la vora tallada, fins i tot si el temps de processament s'allarga.
2. Reflexió d'energia que provoca un deteriorament de la qualitat de l'avantguarda
El làser reflectit no absorbit no és del tot "inútil"; en canvi, forma "irradiació secundària" a l'àrea de processament. Part de la llum reflectida se centra a la vora del tall, provocant una fusió excessiva i oxidació de la vora i formant una "capa d'escòria" irregular. Una altra part de la llum reflectida es dispersa a la superfície del material, donant lloc a una temperatura local desigual i una deformació "ondulada" del tall (per exemple, la desviació de rectitud de la vora de tall després del tall d'aliatge d'alumini supera els 0,1 mm/m). A més, l'energia reflectida pot danyar la planitud de la superfície del material. Per exemple, quan es processen peces metàl·liques-platades, el làser reflectit pot provocar un descamació local de la capa de revestiment, formant defectes de "taca blanca". Es requereixen processos addicionals de rectificat i poliment posteriors, augmentant els costos de processament
II. Obstacle de seguretat de l'equip: "Danys irreversibles" als sistemes làser causats per làser reflectit
El làser reflectit de materials altament reflectants no només afecta els resultats del processament, sinó que també causa danys greus als components bàsics de les màquines de tall per làser, i fins i tot pot provocar fallades en l'equip. Aquest és un obstacle més greu que els problemes de qualitat del processament
1. Risc de cremar lents de focus i lents de protecció
La lent d'enfocament (encarregada d'enfocar el feix làser) i la lent protectora (evitar que les esquitxades d'escòria contaminin la lent de focus) d'una màquina de tall làser són components bàsics directament exposats al làser reflectit. Tot i que l'energia del làser reflectida per materials altament reflectants no està tan concentrada com la del raig làser original, encara és suficient per superar el llindar de tolerància de les lents.
Per exemple, quan l'energia làser reflectida pel coure pur se centra a la superfície de la lent protectora, la temperatura local de la lent pot augmentar bruscament fins a més de 1000 graus, provocant l'esgotament del recobriment de la lent (que resulta en punts negres) o fins i tot esquerdes de la lent. Un cop danyada la lent protectora, l'escòria contaminarà directament la lent de focus. El cost de substituir un conjunt de lents d'enfocament i lents de protecció pot arribar a diversos milers de iuans, i les substitucions freqüents augmentaran el temps d'inactivitat de l'equip i afectaran el progrés de la producció.
2. "Retroalimentació energètica" Danys als generadors làser
Una part del làser reflectit es propaga cap enrere al llarg del camí de transmissió del làser i finalment entra al generador làser (per exemple, la cavitat ressonant d'un làser de fibra). Els components bàsics dels generadors làser (com les fonts de bombes i les fibres de guany) tenen requisits extremadament alts d'estabilitat energètica. El làser reflectit-que es propaga cap enrere altera l'equilibri energètic de la cavitat ressonant, provocant fluctuacions en la potència de sortida del làser (amb una desviació de fins a ± 10%). L'ús a llarg termini-escurçarà la vida útil de la font de la bomba (la vida útil d'una font de bomba dissenyada originalment per a 50.000 hores es pot reduir a menys de 30.000 hores quan es processen materials altament reflectants). En casos greus, fins i tot pot cremar la fibra de guany, donant lloc al desballestament del generador làser, amb costos de manteniment de fins a diversos centenars de milers de iuans.
III. Obstacles de processos i costos: poca adaptabilitat i desequilibri econòmic
Fins i tot si es prenen mesures tècniques per mitigar el problema de la reflexió de l'energia, el tall per làser de materials altament reflectants encara s'enfronta a obstacles d'adaptabilitat del procés insuficient i costos elevats, cosa que dificulta l'aplicació-a gran escala.
1. Dificultat per fer coincidir els paràmetres del procés i alts costos de depuració
Els materials altament reflectants solen tenir una forta conductivitat tèrmica (p. ex., la conductivitat tèrmica del coure és més de 5 vegades la de l'acer de baix-carboni). Durant el processament, la calor es difon ràpidament i requereix un control precís dels paràmetres del procés com ara la potència del làser, la velocitat de tall i la pressió del gas. Per exemple, quan es processa l'aliatge d'alumini, la potència del làser s'ha d'augmentar fins a 1,5 vegades la que s'utilitza per a l'acer de baix-carboni, mentre que la velocitat de tall es redueix (per evitar una difusió excessiva de la calor) i s'utilitza nitrogen d'alta-puresa (per evitar l'oxidació).
Tanmateix, hi ha diferències significatives en les propietats físiques entre diferents graus de materials altament reflectants (per exemple, aliatge d'alumini 6061 i aliatge d'alumini 7075). Cada vegada que es canvia el material, s'han de tornar a-depurar els paràmetres, cosa que pot trigar diverses hores o fins i tot dies i requereix tècnics experimentats per operar, augmentant la complexitat del procés i els costos laborals.
2. Costos auxiliars elevats i economia insuficient
Per reduir l'impacte del làser reflectit, es requereix una inversió addicional en equips auxiliars i consumibles per processar materials altament reflectants. Per exemple, calen "recobriments anti-reflectants" (com ara la polvorització de recobriments absorbents negres sobre superfícies de coure), però el cost del recobriment és d'aproximadament 10-20 iuans per metre quadrat i el recobriment s'ha de treure després del tall, afegint processos addicionals.
Un altre exemple és la necessitat d'equipar "aïlladors làser inversos" (per evitar que el làser reflectit entri al generador), amb el cost d'instal·lar un conjunt per dispositiu que oscil·la entre 10.000 i 30.000 iuans. A més, el consum de gas (com el nitrogen) durant el processament de materials altament reflectants és 2-3 vegades superior al del processament d'acer amb baix-carboni, i la freqüència de manteniment de l'equip és més alta (p. ex., les lents s'han de netejar cada 500 hores de processament, que és 2 vegades més freqüent que el processament convencional). El cost global és entre un 40% i un 60% superior al del processament de metalls normals, cosa que fa que no sigui viable econòmicament per a les empreses de producció de lots petits i mitjans.
IV. Obstacles de protecció del medi ambient i de la seguretat: riscos potencials per a la salut i la seguretat
Durant el tall per làser de materials altament reflectants, a més del risc de danys a l'equip, també es generen perills especials de seguretat, imposant requisits més elevats a l'entorn operatiu i a la protecció del personal.
1. Risc de "dany indirecte" per làser reflectit
Part del làser reflectit s'escampa a l'aire del taller de processament, formant "làser dispers". Tot i que la densitat d'energia es redueix, encara pot causar danys als ulls dels operadors (com ara cremades de retina). Especialment quan hi ha superfícies reflectants metàl·liques al taller (com ara bancs de treball d'acer inoxidable), el làser dispers es reflectirà encara més, ampliant el rang de perill. A més, el làser reflectit pot encendre materials inflamables al taller (com ara envasos de plàstic i oli lubricant), cosa que suposa un perill d'incendi.
2. Generació de contaminants perillosos
Quan es tallen amb làser materials altament reflectants (com ara aliatges de titani i plaques d'acer galvanitzat), es generen contaminants perillosos especials a causa de les altes temperatures. Per exemple, el tall d'aliatges de titani produeix pols de diòxid de titani (la-inhalació a llarg termini pot provocar fibrosi pulmonar) i el tall de plaques d'acer galvanitzat allibera fums d'òxid de zinc (que irriten les vies respiratòries i provoquen "febre de fums metàl·lics"). Aquests contaminants són més difícils de tractar que els fums generats pel tall de metalls normals, la qual cosa requereix el desplegament d'equips professionals de filtració i eliminació de pols d'alta-eficiència (com ara filtres HEPA). El cost d'inversió d'aquests equips és de 2 a 3 vegades superior al dels equips d'eliminació de pols convencionals, i els elements de filtre s'han de substituir regularment, augmentant els costos d'operació i manteniment.
Conclusió: la naturalesa dels obstacles i les direccions innovadores
En resum, els obstacles en el processament de materials altament reflectants amb màquines de tall làser provenen essencialment de la contradicció entre l'alta reflectivitat dels materials i la lògica d'utilització d'energia del processament làser-el tall per làser es basa en "l'absorció d'energia", mentre que la característica bàsica dels materials altament reflectants és la "reflexió de l'energia". Aquesta contradicció dóna lloc a múltiples problemes en la qualitat del processament, la seguretat dels equips, el control de costos i la protecció de la seguretat.
Actualment, la indústria ha mitigat alguns d'aquests obstacles mitjançant tecnologies com la millora de la longitud d'ona del làser (p. ex., utilitzant làser verd de 532 nm per millorar la taxa d'absorció de materials altament reflectants), optimitzar els recobriments de lents (p.
En el futur, amb el desenvolupament de tecnologies com ara làsers de pols ultra-curt (per exemple, làsers de femtosegon) i sistemes intel·ligents de control d'energia, s'espera que els obstacles en el processament làser de materials altament reflectants es superin gradualment, promovent la seva àmplia aplicació en camps-de gamma alta com ara l'aeroespacial, els components electrònics i els instruments de precisió.
--Rayther Laser Jack Sun--