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激光切割领域,光纤激光优势凸显

来源:激光内参

关键词:激光切割 光纤激光

2018-08-09

 1960年第一台激光器诞生后,人们便不断探索激光在加工领域中的应用,1967年世界首台CO2激光切割机问世。激光切割是将能量聚焦到微小的空间,利用高密度的能量进行非接触、高精度、高质量、高效率的切割方法。在过去的数十年里,激光切割系统的输出功率和光束质量得到了大幅提升,现如今已成为一项成熟可靠的技术,占据材料激光加工市场70%以上,在汽车、船舶、工程机械等工业领域备受青睐。

 

 

对于特定的激光切割应用,制造商在选择激光切割设备系统时越来越注重经济指标,使其生产线能实现高效率、高质量、高可重复性加工,从而降低成本。目前在切割领域占主导地位的是CO2激光,随着光纤激光器的技术成熟和飞速发展,其所具有的切割速度快、能量集中、电光转化率高、加工柔性等众多优点,将有望替代传统的CO2激光。

 

 

光纤激光切割优势

技术优势

 

光纤激光的波长为1070 nm,是CO2激光波长的1/10。图1为金属材料对不同波长激光的吸收率。可以看出,短波长的光纤激光更容易被金属材料吸收。例如低碳钢对CO2激光的吸收率不足10%,而对光纤激光的吸收率高达35%。这也使得光纤激光能够切割如铝、铜等高反射性材料。

 

图2为不同工业激光的光束质量参数(BPP)与输出功率的关系,BPP 值越小表明光束质量越好。与其它激光相比,光纤激光具有更好的光束质量(只在5~10kW范围略逊于CO2激光)。光纤激光的低BPP值,使其在高亮度、细焦斑、长焦深、长焦距下能远距离工作,增强了其在材料加工中的适用性,提高了切割精度。同时光纤激光器在高输出功率时也能传输高质量光束,使它也能适用于由CO2激光所主导的厚板金属切割。

 

效率优势

 

高光束质量、高功率密度使光纤激光切割效率更高,可快速切割较薄材料以及更加有效地切割中等厚度材料。图3为光纤激光与CO2激光切割不锈钢薄板的速度对比,可以看出,薄板的光纤激光切割速度可达到同等功率CO2激光切割的2~3倍。IPG 2kW光纤激光切割系统切割0.5 mm碳钢的速度可达40 m/min。切割6 mm厚的材料时,1.5kW光纤激光切割系统的切割速度相当于3kW CO2激光切割系统的切割速度。光纤激光切割的高速度、高效率已得到大量研究报道的证实。

 

设备优势

 

传统CO2激光切割机的光路完全依靠反射镜传播,体积较大,占用场地大,对机架和导轨要求极高,难以实现大幅面和多维切割。图4为高柔性光纤激光切割系统示意图,光纤激光通过光纤传输至激光头,无需调整光路,使机械系统的设计变得非常简单,切割系统更加紧凑。

 

 

 

光纤激光更重要的一个优势是加工柔性极高,可以加工任意图形,亦可切割管材及其他异型材,能够用于各种多维任意空间的加工,为三维激光切割技术在车身制造中的应用提供了巨大的发展空间。光纤激光+工业机器人集成系统已实现工程化应用。

成本优势

 

(1)电光转换效率高

CO2激光的光路完全依靠反射镜传播,光路衰减快,能量损失较多,其电光转化率在10%以下;而光纤激光的电光转化率可高达30%,大幅降低工作耗电,降低运行成本。

 

(2)运行维护成本低

CO2激光系统结构复杂,维护成本高,反射镜和谐振腔需定期维护,涡轮机轴承更换费用昂贵。而光纤激光切割机由光纤传输,无需复杂的反射镜等导光系统,光路简单,结构稳定,外光路免维护,平均无故障时间超过10万小时,且基本无耗材。图5给出了4 kW功率下不同工业激光器的相应成本,可以看出光纤激光设备的运行、维护等成本是最低的。

 

相比于传统CO2激光切割具有技术、效率、设备和成本优势,光纤激光为工业领域带来了一种综合成本低、高效生产力的切割加工解决方案,有望替代占据主要市场的CO2激光切割。