光纤激光切割的崛起

作者：Ricky Hansson

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 二 ○○七年至二○○八年的冬天，Salvagnini公司开始研究运用光纤激光技术来切割金属薄片的可能性。和其他公司一样，这家公司曾花巨资用于制造和行销CO2激光切割机，但是管理层意识到，CO2激光器正步入成熟的产品阶段，难以有技术上的提高，更不会有质的飞跃。Salvagnini认为市场需要一些新的、更好的产品，当公司的研发团队成员深入钻研光纤项目后，他们变得非常兴奋。 最初的研究是使用IPG Photonic公司的光纤激光器，在切割薄材料时速度前所未有的快，而在切割厚一些的材料时速度相对较慢。CO2激光器在切割最厚的材料时表现仍是最好，但对于金属薄片加工市场来说，光纤激光技术似乎更适合。除了速度外，光纤激光的操作成本也比CO2激光器低五倍，这对光纤激光切割机的所有者来说，意味着投资回收期缩短，投资回报率更高。在完成初步研究后，前景就明确了——Salvagnini将采用光纤激光器。 第一台光纤激光切割机 在2008年上半年，该公司的工程师们设计和组装了公司第一台使用IPG光纤激光器的光纤激光切割机，结构基于L1 CO2激光系统架构。该机器不需要预热，不需要激光气体，也不需要调腔，但由于其1微米波长，该切割机能切割红铜、黄铜、铝和镀锌钢等高反射度材料。测试结果证明，2kw光纤激光器的表现几乎都优于4kw CO2激光器，因而设计师和工程师开始着手构建商业光纤激光切割机。 2008年10月L1Xe光纤激光器在欧洲金属板材加工技术展览会（EuroBlech）上被推向世界，在2009年美国金属加工展（FabTech）上被推向美国市场。Salvagnini公司2009年3月将其第一台光纤激光切割机装船，并在随后的两年半里在世界各地安装了130多台设备。2010年，该公司引进了功率为2kw和3kw的第二代激光系统，不再置于先前的CO2激光机机架上，而是设计了适于光纤激光器的机架，以充分发挥光纤技术的作用。 70%的解决方案 自从激光技术被引入切割金属薄板，CO2激光器就雄踞市场。但是，光纤激光器在新近销售中的份额日益增大。相较于CO2激光器，光纤激光器的简易性显而易见：采用光纤激光器的机器占地小，激光光源和冷却系统体积也更小；没有激光气体管线，也不需要调校镜片。而功率为2kw或3kw的光纤激光光源只需要4kw或6kw CO2激光光源能耗的50%就能达到相同的性能，并且速度更快、能耗更低、对环境造成的影响更少。 问题的关键在于激光光源。CO2激光光源需要很多能量来激发氮分子来与CO2分子（激光气体）产生碰撞，促使它们发射光子，最终形成可以割穿金属的激光束。谐振腔内的分子活动在释放出光的同时也释放出热量，这就需要一个冷却系统来冷却激光气体。这意味着在冷却过程中要消耗更多能量，进一步减低了能效。 另外一方面，光纤激光器采用固态二极管来泵浦双包层掺镱光纤内的分子，受激发射的光多次穿过纤芯，然后形成激光通过传输光纤向进行切割的聚焦头输出。由于所有分子间的碰撞都发生在光纤内，就不需要激光气体，因此所需能源大大减少——约为CO2 激光器的三分之一。由于产生的热量越少，冷却器的体积就可以相应缩小。总之，在达到相同性能的情况下，光纤激光器的整体能耗要比CO2 激光器低70%。 如何适用于现代车间？ 光纤激光设备是极其通用和高效的工作母机，可以适用于各种大小和复杂程度的车间。对于切割各种材料和厚度不一的金属，Salvagnini 公司的L3（见图2）和 L5激光切割机（见图3和图4）不需要更换激光头，就能够切割厚达0.70英寸钢材、厚达0.394英寸的不锈钢、0.315英寸厚的铝材和0.197英寸厚的铜及黄铜。 对于重视速度的企业来说，光纤激光器在切割那些厚度为7至12 Gauge的材料时表现得无可匹敌。例如，在切割厚度为20至22 Gauge低碳钢时，光纤激光器的切割速度是CO2激光器的两倍，再配备上L5的CompassTM专利技术激光聚焦头，切割起来噪音很低，切割面极为光滑。对于厚度超过7至12 Gauge的材料，速度优势开始消失，直至切割速度与CO2 激光器相差无几，但光纤激光器的操作成本仍要低一些。 速度和通用性在制造业中至关重要，因为在制造工艺会增加成品的成本。但获利能力状况还需要考虑其它成本。例如，Salvagnini光纤激光切割机的总操作成本约为每小时56美分，而典型的CO2 激光切割机的总操作成本为每小时3.19美元。此外，光纤激光切割机不需要校准反光镜，不需要更换鼓风机，不需要调准谐振腔，不需要更换激光气体，维护成本几乎可以忽略不计。一套激光源设备预计可以工作100000小时，这是CO2 激光器谐振器的五倍，且不存在更换成本和故障停工成本。综合考虑，光纤激光器切割速度是CO2 激光器的两倍，而成本是其的六分之一，投资回收期为CO2 激光器的70%。 最后，同时也是重要的一点，激光零件得益于极其稳定的光束平台，能够保持一贯优良的质量，从而保证切割质量——即使由于金属表面凹凸不平导致喷嘴和被切割的薄板之间的距离发生变化。由于光纤激光器的光斑尺寸小，切缝严密，在实现高速切割的同时也能保证切割质量。这意味着减少了报废零件，生产出高质量的成品。 金属薄片切割的未来 2008年还没有几家公司看到了（或者不愿意承认）光纤激光切割机的潜力，但随后许多重要系统制造商们研发了一些的光纤激光切割机。但历史告诉我们，技术永远不会停滞不前。固态二极管激光源可以升级，高达50kw的电源组已被组装用于其它用途，尽管这对于金属薄片切割来说威力过于强大，因此功率不是问题。还有人努力研发光学方面，以便能切割更厚的金属片。直到最近，切割薄膜一直是个难题，但是已针对这一问题提出了解决方案，成功在望。随着技术的改进和能力的提升，光纤激光器在年销售额上挑战CO2 激光器只是时间问题。 本文作者Ricky Hansson（电邮：Ricky.hansson@salvagnini.com）是Salvagnini美国公司应用和项目管理副总裁。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/12/2012)