射频CO2激光器与光纤激光器 切割非金属材料对比实验
发布时间：2019-05-21
实验目的
激光器广泛应用于材料加工领域，特别是材料切割领域。然而不同激光器波长的不同，其适合应用的领域也截然不同。本实验采用光纤激光器和CO2射频激光器对非金属材料进行切割加工，并对加工效果进行对比。
光纤激光器采用热刺激光技术有限公司FSC1000光纤激光器，CO2射频激光器采用热刺激光技术有限公司R450射频激光器，其基本参数如表1所示。
表1激光器基本参数
2实验参数
射频激光器采用焦距为101.6mm聚焦镜，最终聚焦光斑约为0.2mm。光纤激光器芯径为20微米，采用100：150mm准直、聚焦系统，其聚焦光斑远小于射频激光系统聚焦光斑，为保证对比试验可靠性，切割时将其离焦至材料表面激光光斑直径也为0.2mm。
试验中射频激光器调制频率均为5KHz，调制占空比为55%。光纤激光器占空比均为100%。
试验过程均采用压缩空气作为切割辅助气体。
1实木板切割
对14.5mm厚实木板进行激光切割，切割参数如表2所示。
表2激光器基本参数
切割效果如图1所示
图1切割效果对比可发现，光纤激光器以相同的参数切割木板时切割深度较小，且切缝不均匀，受板材纹理密度影响较大：光束移动方向平行于木板纹路时切割深度较大且切缝较窄，光束移动方向垂直于木板纹路时切割深度较小且切缝较宽。射频激光器切割木板时切缝均匀，切缝宽度较小，切缝表面轻微氧化，可对木板进行高精度加工。射频激光器切割木板时木板纹理方向对其有类似影响：光束移动方向平行于纹理方向时切割速度较快，垂直于纹理方向时切割速度较慢，但不同切割方向切缝宽度一致。
光纤激光器切割木板时，光斑处有明显的火焰燃烧现象，表明木板对光纤激光的吸收率较低，切割主要依靠高能量密度激光对木板加热，产生局部高温燃烧。射频激光器切割木板时无明火，表明木板对激光的吸收率极高，光束只作用于光束影响到的位置。
2胶合板切割
对5mm厚胶合板进行激光切割，切割参数如表3所示。
表3激光器基本参数
切割效果如图2所示
图2切割效果对比可以发现，光纤激光器与射频激光器胶合板切割现象与实木板类似。射频激光器切割端面均匀，割缝较细，可以达到良好的切割效果；而光纤激光器切割胶合板，受切割速度、板材纹理等因素影响，切割宽度等影响较大，无法取得良好的切割效果。
3亚克力切割
对10mm厚亚克力板进行激光切割，切割参数如表4所示。
表4激光器基本参数
切割效果如图3所示
图3可以看出，射频激光器切割亚克力板切割面光滑整齐，割缝较细，可以达到良好的切割效果。光纤激光器切割亚克力板，板材表面有较浅的融化痕迹，内部局部吸收热量后材料炸裂，炸裂位置产生黑色的燃烧杂质，板材整体无法进行切割。
4皮革切割
对1.5mm厚皮革进行激光切割，切割参数如表5所示。
表5激光器基本参数
切割效果如图4所示
图4对比可以看出，射频切割皮革表面氧化小，具有较好切割质量和较小的切缝宽度。且切割速度远大于光纤激光器。受机床限制，其切运动度无法达到极限切割速度，高速短焦切割可以得到更小的切缝和完全无氧化的切缝。
3结论
对于木板、亚克力、皮革等非金属材料的切割，射频激光器切割速度和切割质量明显优于光纤激光器。
对于CO2激光器在非金属材料切割上的优势，最普遍的观点是认为1.06µ波长的激光在许多非金属面前是“透明”的，而10.6µ波长的CO2激光在这些材料面前能够更多地被吸收。（本文刊登于《激光制造商情》2019年4月刊）
来源：北京热刺激光技术有限公司
