在激光切割市场中，通常认为激光功率是决定产量的主要因素。 而且，在厚材料中切割直线时，在公差较低的情况下，功率越大，速度越快。 然而，在许多应用 中，尤其是在更严格的公差下切割较薄的材料，不需要非常高的功率，实际上可能是一个缺点。 此外，在精密应用中，机器机械因素以及使激光器与机械装置同步的能力可能是吞吐量方面的最终速率限制因素。 本文探讨了一家名为 Stiefelmayer Lasertechnik （ Denkendorf, 德国）的制造商如何解决这些问题，以优化薄电工钢的切割。

电工钢是一种薄的（通常为0.1至1毫米）层压材料，成型后堆叠，用于制造电动机和发电机的定子和转子，以及变压器的铁芯。这些叠层通常由几百个独立层组成，每个层都涂有一层不导电的外层。

通常，这些零件的冲压量很大。冲压可实现高重复性，但绝对精度有限。重复性很重要，因为当大量这些零件堆叠在一起时，它提供了一个平滑的边缘表面。此外，冲压不会产生边缘毛刺，这会阻止零件在堆叠时完全接触。磨削去除毛刺是不可取的，因为它可能会去除材料的外部分层。最后，冲压不会加热零件。加热电钢也会去除其外部叠片或影响大块材料的磁性，这两种情况都是不可取的影响。

冲压的主要限制是需要昂贵的固定工具。这在批量生产中是可以接受的，但在原型制作过程中或在小批量生产运行中可能会出现问题。

使用光纤激光器切割提供了一种替代冲压的方法，可以避免模具成本，并且通常可以提供必要的速度，使其成为小批量运行的经济有效的选择。然而，大多数基于光纤激光的刀具都有局限性，这使得它们无法成为切割薄电工钢的可行选择。

Stiefelmayer’s Effective cutter系列(来源:Stiefelmayer)

首先，大多数商用激光切割机在其工作区域有相对较大的、非恒定的公差偏差。因此，从一大块材料的右前方切割的零件看起来可能与从左后方切割的零件不同。当这些部件随后堆叠时，就会产生尺寸问题。

光纤激光切割的其他限制是，它可以蒸发零件的表面层压，在边缘产生浮渣，并在大块材料中形成热影响区（HAZ），从而改变其磁性。随着切割功率的增加，这些问题通常会变得更严重。然而，正如一开始提到的，在传统的激光机器中，速度和激光功率通常是同时进行的。

更低的功率，更高的吞吐量

Stiefelmayer Lasertechnik制造激光机床并按合同制造，重点是将薄金属板切割到严格的公差。他们的高效系列激光切割机经过专门优化，以生产高精度、高吞吐量的切割；他们的设计理念倾向于巧妙而非蛮力。总经理迪Dieter Bulling用赛车类比来解释这种方法。“我们已经调整了我们的机器，以适应摩纳哥紧张的城市路线，而不是印第安纳波利斯的巨大椭圆形。我们的设计目标是在曲线上实现最高可能的平均速度，而不是直线上的最高速度。对于我们通常生产的零件类型，这会产生更大的吞吐量。”

Coherent HighLight fiber激光器(来源:Coherent)

在高效刀具中，有两个整体方面可以实现这种性能——卓越的机械性能和激光与这些机械性能的精确同步。Stiefelmayer Laser-technik使用直接驱动直线电机来提供切割头的x和y运动。这消除了与其他系统中使用的齿轮齿条传动装置相关的反间隙。此外，支撑梁输送头的桥梁由碳纤维而非金属制成，以在不牺牲刚性的情况下最小化其惯性。这种轻量桥架使机器能够达到高加速度(加速度变化率)。Dieter Bulling澄清了这一点的重要性：“没有一台机器能够从静止状态立即达到4或6克的加速度（这在物理上是不可能的）。因此，具有紧凑轮廓的高生产率的关键在于机器达到所需加速度的速度有多快——换言之，加速度。”

Bulling补充说，激光器输出和机架移动之间的高度同步对机器精度和吞吐量都同样重要。所有拐角都以小半径切割，因为这样就不需要在顶点处使梁完全停止。在Stiefelmayer Effective机器中，该角半径可以是40µm，或大到0.2 mm。Bulling解释说，“我们可以实现如此小的边缘半径有两个原因。一个是机器的高运动动态性，另一个是激光输出与机架运动的高同步性。具体来说，当光束速度减慢时，激光功率必须下降，以保持给定光斑的总输出功率恒定。我们通过连续运行激光器（cw）来解决这一问题。然后在角落使用一种特殊的脉冲输出。因此，激光器必须能够在不同的工作模式之间进行快速切换。当时，我们最初设计的Effective是我们目标功率范围内唯一一台提供这一关键功能的2至3 kW光纤激光器。此外，光纤激光器使用的控制软件与已经在其他产品中使用的CO2激光器相同，因此这缩短了开发时间。”

在STIEFELMAYER effective L中，最先进的技术和独特的工作台系统结合在一起，形成了具有最高水平的精度、动力学和生产率的机器。

在该公司的Effective切割机中，Coherent HighLight FL光纤激光器的高质量输出光束聚焦到工件上约60至65µm的光斑，约为该尺寸机器典型光斑直径的一半。为了在许多切割应用中产生所需的小特征尺寸，光斑大小是必要的。此外，特别是对于电钢的切割，这种光束尺寸和功率的组合使热影响区最小化。它还减少了熔化材料的数量(将光束直径减少2倍，熔化材料的数量减少4倍)，这些熔化材料被气体吹离基板，以产生无浮渣的边缘。

结论

Bullling总结道， “激光切割市场上竞争对手越来越多。高成本的机器通常强调激光功率。但是，例如，从6kW提高到12kW并不能显著减少每件的切割时间。你可以通过更快的零件加载/卸载系统实现更多。相反，低价格的激光机器没有高精度的机械装置；它们可能会指定机器的可重复性——虽然通常只在一个轴上——但不要解释这如何转化为成品零件的精度。为了能够切割更厚的材料，讨论将越来越激烈。厚料精度要求较低，薄料精度要求较高。这是对机器完全不同的要求。由于更好的机械结构和改进的激光同步，我们通过提供精度、高总吞吐量和保证零件重复性的独特组合来区分Efficient——我们规定，Effective可以在整个1.25 × 2.5 m的床上切割直径为30 mm的孔，可重复性为±25µm。对于切割薄金属，我们认为这是未来的正确方向。”

来源：Photonics Views - 2019 - High Precision Laser Cutting of ElectricalSteel