光纤激光和CO2激光切割工艺的应用分析

文／David Larcombe·百超英国分公司董事总经理

光纤激光和CO2激光切割工艺的应用分析

文／David Larcombe·百超英国分公司董事总经理

在客户心中，CO2激光切割工艺与光纤激光切割工艺难分伯仲，为此，位于英国的两个百超工厂对这两种工艺进行了比较、展示及现场测试，该议题作为重点也在客户群中引发了热烈的讨论。

在某次与客户讨论的过程中，百超公司并没有简单地强调理论，而是以用户三年来的实际体验为例进行分析，这次讨论的结果使得百超公司在英国一次性就售出了35台光纤激光切割机。笔者将百超公司与客户进行的若干次讨论汇总成文，与读者进行分享，期望大家能够从中获得启发。

光纤激光器

简单地说，光纤激光器的原理就是通过二极管生成激光光束，然后以类似于数据传输的光纤光缆为介质，对光能进行引导和放大，并经过光纤光缆的准直或校直，最后通过光学透镜在切割材料上聚焦。

与传统的CO2激光器相比，光纤激光器的电光转换效率是其两倍；光束通过光纤光缆进行传输，不需要配备昂贵的光学透镜。而且与传统CO2激光器所不同的是，光纤激光器的切割头上自带聚焦镜，不需要用户额外配置耗材。

2010年，百超在英国首次推出了2kW光纤激光切割机，随后迅速升级到3kW及4kW。有趣的是，3kW激光器成为最受欢迎的模块，在英国售出机型中占60%的份额。

当输出功率更高，达到4kW时，光纤激光器的速度优势主要表现在切割厚度为6～8mm的中等厚度材料，如果切割非金属材料，厚度通常也可以略微增加。因此，4kW机型仅仅对那些切割厚度主要分布在6～8mm的材料，或是希望用一台切割机就能应付所有切割业务的客户而言更为有益。

光纤激光器的优势主要在于：

⑴不同于传统的CO2谐振腔或是盘式激光器，光纤激光器的激光光束在生成过程中无需移动配件或镜片组件，从而减少维护需求，降低运转成本。

⑵电光转换效率大幅提高，显著降低运转成本。一台3kW的光纤激光器，其耗电量约为4kW的CO2激光器的三分之一。

⑶切割薄板的速度更快。光纤激光器在对厚度为1mm的软钢板、镀锌钢板或不锈钢板进行直线切割时，速度是4kW的CO2激光器的三倍。厚度增加为2mm时，速度也会比CO2激光器快一倍。

⑷可切割高反射材料，无需担心背反射损坏机器。这使得光纤激光器可用于切割铜及铝制材料。

⑸保养周期延长50%，维护成本降低50%。

CO2激光器

与CO2激光切割工艺相比，光纤激光切割工艺的不足主要在于切割厚度超过5mm的材料时速度差强人意，而CO2激光切割机不仅在直线切割时速度更快，而且在切割开始的穿孔阶段所需的时间也短得多。此外，CO2激光切割机还有一个优势就是在切割加厚材料时，切割面更加平整。

在对那些采购光纤激光器和CO2激光器的百超英国用户进行统计后，我们总结如下：

⑴在采购光纤激光器的用户中，超过70%为分包商，剩下的一小部分才是代工工厂（OEMs）。这一点让人出乎意料，因为光纤激光器的优势和不足都非常明显，主要取决于所需加工的材料，所以我们通常认为OEMs应该会更倾向于选择光纤激光器。而对于分包商而言，他们无法预测下一项工作是什么，特别是所需加工的材料及厚度，所以从理论上来说，CO2激光器的适用范围更广，应该更有优势。

⑵在分包商中，只有31%是将光纤激光器作为单一的激光器，剩下的69%都配备了多种激光器，这样用户就可以根据需要选择适合的机器。

⑶用户决定采购光纤激光器的主要原因是在切割薄板（厚度为1～2mm，不超过3mm）时，切割速度更快。

⑷选择光纤激光工艺的另外一个重要原因是其运转成本低、耗电少。这对于那些用电量居高不下的工厂而言特别重要。

FC激光器公司的应用体验

位于英国伊肯斯顿（Ilkeston）的分包商FC激光器的董事总经理Danny Fantom表示，百超曾建议其对现有的4.4kW的CO2激光器进行升级，补充一台3kW光纤激光器。尽管Fantom一开始对这种功率更低的配置持怀疑态度，但他最终还是采纳了百超的建议。

2个月后，Fantom惊喜地发现，光纤模块加CO2模块的新组合无论是在切割速度，还是在切割质量方面，均远远超过他的预期。Fantom说：“新组合的切割质量稳定可靠，完全不需要调整，而且在大多数情况下，运转速度比原来快一倍。”

光纤模块加CO2模块的新配置能够帮助分包商确保加工质量及交货时间，另外还有助于拓展铜、铝等新业务领域。

Brattonsound工程公司的应用体验

位于英国萨顿的Brattonsound工程公司用一台2kW的光纤激光切割机替换了已经使用3年的2.2kW的CO2激光切割机。Brattonsound的主要业务是切割燃气取暖器和保险箱所用的厚度不超过2mm的薄板。

新机器在实际生产中的性能表现远远超过预期，有时的切割速度甚至可以达到原来的三倍，其平均值也能达到原来的2倍。切缝质量与原来相当，但整体切割速度更快，质量也更加均一。

正如所预料的那样，新机器的运转成本也较之前有所下降。因为光纤激光器为固态激光器，电光转换效率更高，负载从原来的37kW降至16kW，不到原来的一半。综上考虑，新机器所节约的电能和切割气体，可使每个工件的运转成本降低三分之二。

Brattonsound工程公司的Gerald Tag表示，他们所遇到的唯一问题就是在更换机器之前，操作人员可以利用两个切割作业之间的时间组装零件，但是启用新机器后这样根本来不及，一旦材料上机，就会被立即切割，甚至等不到上一个零件拆卸下来。

ICEE管理服务公司的应用体验

ICEE管理服务公司位于英国Waterlooville的工厂是激光切割行业的领导者。2011年夏天，公司用体积相近的2kW光纤激光器取代了原来的CO2激光器。ICEE工程项目经理Chris Arnold解释道：“ICEE为一个长期客户制造电气外罩，一直在用原来那台2kW的CO2激光器切割材料。”

完成该客户的一个订单，需要甚至超过38h，这样就要占用机器整整一周的时间，而且期间设置不能改动。在第一次使用光纤激光器时，操作人员竟然在周一就询问生产经理下一步工作计划是什么，因为过去要耗时一周才能完成的工作这次只用了6h。

这绝非偶然。在另外一个加工型孔数量为260个、厚度为2.6mm的铜板切割项目中，每组切割时间仅为55s。用Arnold的话说：“新机器简直太快了。”

WEC集团的应用体验

2013年1月，WEC集团在位于英国兰开夏郡的Darwen工厂内安装了一台光纤激光切割机。应用表明，在加工厚度介于1.5～4mm的不锈钢板时，生产成本显著降低。激光工艺部总经理助理Gareth Taylor表示，某些材料的切割速度比原来快一倍。

不仅如此，长度仅有1.5m的光纤激光器，其功率就能达到原来3m放电管的效果，可切割高反材料及热导材料，如铜、黄铜等，而这是之前CO2激光器所无法做到的。由于这些材料的背反射很容易损坏CO2激光器的光学元件，光纤激光器的使用还帮助WEC拓展了这项新的业务领域。在铝材加工时，即使是少量的回光，也会造成CO2激光器的透镜及镜片元件的损坏，但使用了光纤激光器后，只要铝材的厚度在合理的范围内，切割就不成问题。新机器甚至还能切割20mm厚的软钢板。此外，光纤激光器不需要使用昂贵的气体，耗电量也更低，有助于企业降低运转成本，提高经济效益。

由于WEC所处的地理位置在英格兰西北部，那里是欧洲最大的航空航天产业聚集地，因此WEC一直希望能够拓展航空配件这一新的业务领域。现在WEC已经是非飞行配件的供应商，并且正在申请航空航天行业专用的AS9100质量管理体系认证。用百超光纤激光器进行切割作业，切缝质量高，热影响区小，这对于WEC拓展航空航天业务极为重要。

WEC经常会涉及切割不锈钢薄板的业务，这也成为公司最终决定采购光纤激光器的主要原因。在激光切割行业累积了20余年经验的Taylor表示，光纤激光切割机可24h不间断运转，70%的时间用于切割不锈钢，而不锈钢是一种能够充分发挥光纤激光器优势的材料，能够很快获得回报。在另外30%的时间里，机器还可以用于切割高反材料，这是以前难以想象的。新的光纤激光器能够帮助分包商拓展这一原来无法企及的业务领域。

3kW光纤激光切割机结构紧凑，约为10m× 6m，切割区域面积为3048mm×1524mm，同步定位速度最大为140m/s，轴加速度可达12m/s2。WEC所采购的模块还包括一个用于小部件传输的传送单元，以便从机器下方将小部件从工作区域传送至装载区域后方。

结束语

根据目前百超的统计结果，倾向于选用新型光纤激光器的用户大部分是分包商，他们可能是擅长切割薄板的企业，如零售终端的钣金件或白色家电，也可能是那些已配备了CO2激光设备的企业，希望通过增加光纤激光器，对现有板材切割能力进行扩充。