光纖激光和CO2激光切割工藝的應用分析

文／David Larcombe·百超英國分公司董事總經理

光纖激光和CO2激光切割工藝的應用分析

文／David Larcombe·百超英國分公司董事總經理

在客戶心中，CO2激光切割工藝與光纖激光切割工藝難分伯仲，為此，位于英國的兩個百超工廠對這兩種工藝進行了比較、展示及現場測試，該議題作為重點也在客戶群中引發了熱烈的討論。

在某次與客戶討論的過程中，百超公司并沒有簡單地強調理論，而是以用戶三年來的實際體驗為例進行分析，這次討論的結果使得百超公司在英國一次性就售出了35臺光纖激光切割機。筆者將百超公司與客戶進行的若干次討論匯總成文，與讀者進行分享，期望大家能夠從中獲得啟發。

光纖激光器

簡單地說，光纖激光器的原理就是通過二極管生成激光光束，然后以類似于數據傳輸的光纖光纜為介質，對光能進行引導和放大，并經過光纖光纜的準直或校直，最后通過光學透鏡在切割材料上聚焦。

與傳統的CO2激光器相比，光纖激光器的電光轉換效率是其兩倍；光束通過光纖光纜進行傳輸，不需要配備昂貴的光學透鏡。而且與傳統CO2激光器所不同的是，光纖激光器的切割頭上自帶聚焦鏡，不需要用戶額外配置耗材。

2010年，百超在英國首次推出了2kW光纖激光切割機，隨后迅速升級到3kW及4kW。有趣的是，3kW激光器成為最受歡迎的模塊，在英國售出機型中占60%的份額。

當輸出功率更高，達到4kW時，光纖激光器的速度優勢主要表現在切割厚度為6～8mm的中等厚度材料，如果切割非金屬材料，厚度通常也可以略微增加。因此，4kW機型僅僅對那些切割厚度主要分布在6～8mm的材料，或是希望用一臺切割機就能應付所有切割業務的客戶而言更為有益。

光纖激光器的優勢主要在于：

⑴不同于傳統的CO2諧振腔或是盤式激光器，光纖激光器的激光光束在生成過程中無需移動配件或鏡片組件，從而減少維護需求，降低運轉成本。

⑵電光轉換效率大幅提高，顯著降低運轉成本。一臺3kW的光纖激光器，其耗電量約為4kW的CO2激光器的三分之一。

⑶切割薄板的速度更快。光纖激光器在對厚度為1mm的軟鋼板、鍍鋅鋼板或不銹鋼板進行直線切割時，速度是4kW的CO2激光器的三倍。厚度增加為2mm時，速度也會比CO2激光器快一倍。

⑷可切割高反射材料，無需擔心背反射損壞機器。這使得光纖激光器可用于切割銅及鋁制材料。

⑸保養周期延長50%，維護成本降低50%。

CO2激光器

與CO2激光切割工藝相比，光纖激光切割工藝的不足主要在于切割厚度超過5mm的材料時速度差強人意，而CO2激光切割機不僅在直線切割時速度更快，而且在切割開始的穿孔階段所需的時間也短得多。此外，CO2激光切割機還有一個優勢就是在切割加厚材料時，切割面更加平整。

在對那些采購光纖激光器和CO2激光器的百超英國用戶進行統計后，我們總結如下：

⑴在采購光纖激光器的用戶中，超過70%為分包商，剩下的一小部分才是代工工廠（OEMs）。這一點讓人出乎意料，因為光纖激光器的優勢和不足都非常明顯，主要取決于所需加工的材料，所以我們通常認為OEMs應該會更傾向于選擇光纖激光器。而對于分包商而言，他們無法預測下一項工作是什么，特別是所需加工的材料及厚度，所以從理論上來說，CO2激光器的適用范圍更廣，應該更有優勢。

⑵在分包商中，只有31%是將光纖激光器作為單一的激光器，剩下的69%都配備了多種激光器，這樣用戶就可以根據需要選擇適合的機器。

⑶用戶決定采購光纖激光器的主要原因是在切割薄板（厚度為1～2mm，不超過3mm）時，切割速度更快。

⑷選擇光纖激光工藝的另外一個重要原因是其運轉成本低、耗電少。這對于那些用電量居高不下的工廠而言特別重要。

FC激光器公司的應用體驗

位于英國伊肯斯頓（Ilkeston）的分包商FC激光器的董事總經理Danny Fantom表示，百超曾建議其對現有的4.4kW的CO2激光器進行升級，補充一臺3kW光纖激光器。盡管Fantom一開始對這種功率更低的配置持懷疑態度，但他最終還是采納了百超的建議。

2個月后，Fantom驚喜地發現，光纖模塊加CO2模塊的新組合無論是在切割速度，還是在切割質量方面，均遠遠超過他的預期。Fantom說：“新組合的切割質量穩定可靠，完全不需要調整，而且在大多數情況下，運轉速度比原來快一倍。”

光纖模塊加CO2模塊的新配置能夠幫助分包商確保加工質量及交貨時間，另外還有助于拓展銅、鋁等新業務領域。

Brattonsound工程公司的應用體驗

位于英國薩頓的Brattonsound工程公司用一臺2kW的光纖激光切割機替換了已經使用3年的2.2kW的CO2激光切割機。Brattonsound的主要業務是切割燃氣取暖器和保險箱所用的厚度不超過2mm的薄板。

新機器在實際生產中的性能表現遠遠超過預期，有時的切割速度甚至可以達到原來的三倍，其平均值也能達到原來的2倍。切縫質量與原來相當，但整體切割速度更快，質量也更加均一。

正如所預料的那樣，新機器的運轉成本也較之前有所下降。因為光纖激光器為固態激光器，電光轉換效率更高，負載從原來的37kW降至16kW，不到原來的一半。綜上考慮，新機器所節約的電能和切割氣體，可使每個工件的運轉成本降低三分之二。

Brattonsound工程公司的Gerald Tag表示，他們所遇到的唯一問題就是在更換機器之前，操作人員可以利用兩個切割作業之間的時間組裝零件，但是啟用新機器后這樣根本來不及，一旦材料上機，就會被立即切割，甚至等不到上一個零件拆卸下來。

ICEE管理服務公司的應用體驗

ICEE管理服務公司位于英國Waterlooville的工廠是激光切割行業的領導者。2011年夏天，公司用體積相近的2kW光纖激光器取代了原來的CO2激光器。ICEE工程項目經理Chris Arnold解釋道：“ICEE為一個長期客戶制造電氣外罩，一直在用原來那臺2kW的CO2激光器切割材料。”

完成該客戶的一個訂單，需要甚至超過38h，這樣就要占用機器整整一周的時間，而且期間設置不能改動。在第一次使用光纖激光器時，操作人員竟然在周一就詢問生產經理下一步工作計劃是什么，因為過去要耗時一周才能完成的工作這次只用了6h。

這絕非偶然。在另外一個加工型孔數量為260個、厚度為2.6mm的銅板切割項目中，每組切割時間僅為55s。用Arnold的話說：“新機器簡直太快了。”

WEC集團的應用體驗

2013年1月，WEC集團在位于英國蘭開夏郡的Darwen工廠內安裝了一臺光纖激光切割機。應用表明，在加工厚度介于1.5～4mm的不銹鋼板時，生產成本顯著降低。激光工藝部總經理助理Gareth Taylor表示，某些材料的切割速度比原來快一倍。

不僅如此，長度僅有1.5m的光纖激光器，其功率就能達到原來3m放電管的效果，可切割高反材料及熱導材料，如銅、黃銅等，而這是之前CO2激光器所無法做到的。由于這些材料的背反射很容易損壞CO2激光器的光學元件，光纖激光器的使用還幫助WEC拓展了這項新的業務領域。在鋁材加工時，即使是少量的回光，也會造成CO2激光器的透鏡及鏡片元件的損壞，但使用了光纖激光器后，只要鋁材的厚度在合理的范圍內，切割就不成問題。新機器甚至還能切割20mm厚的軟鋼板。此外，光纖激光器不需要使用昂貴的氣體，耗電量也更低，有助于企業降低運轉成本，提高經濟效益。

由于WEC所處的地理位置在英格蘭西北部，那里是歐洲最大的航空航天產業聚集地，因此WEC一直希望能夠拓展航空配件這一新的業務領域。現在WEC已經是非飛行配件的供應商，并且正在申請航空航天行業專用的AS9100質量管理體系認證。用百超光纖激光器進行切割作業，切縫質量高，熱影響區小，這對于WEC拓展航空航天業務極為重要。

WEC經常會涉及切割不銹鋼薄板的業務，這也成為公司最終決定采購光纖激光器的主要原因。在激光切割行業累積了20余年經驗的Taylor表示，光纖激光切割機可24h不間斷運轉，70%的時間用于切割不銹鋼，而不銹鋼是一種能夠充分發揮光纖激光器優勢的材料，能夠很快獲得回報。在另外30%的時間里，機器還可以用于切割高反材料，這是以前難以想象的。新的光纖激光器能夠幫助分包商拓展這一原來無法企及的業務領域。

3kW光纖激光切割機結構緊湊，約為10m× 6m，切割區域面積為3048mm×1524mm，同步定位速度最大為140m/s，軸加速度可達12m/s2。WEC所采購的模塊還包括一個用于小部件傳輸的傳送單元，以便從機器下方將小部件從工作區域傳送至裝載區域后方。

結束語

根據目前百超的統計結果，傾向于選用新型光纖激光器的用戶大部分是分包商，他們可能是擅長切割薄板的企業，如零售終端的鈑金件或白色家電，也可能是那些已配備了CO2激光設備的企業，希望通過增加光纖激光器，對現有板材切割能力進行擴充。