1960年第一臺激光器誕生后，人們便不斷探索激光在加工領(lǐng)域中的應(yīng)用，1967年世界首臺CO2激光切割機(jī)問世。激光切割是將能量聚焦到微小的空間，利用高密度的能量進(jìn)行非接觸、高精度、高質(zhì)量、高效率的切割方法。在過去的數(shù)十年里，激光切割系統(tǒng)的輸出功率和光束質(zhì)量得到了大幅提升，現(xiàn)如今已成為一項(xiàng)成熟可靠的技術(shù)，占據(jù)材料激光加工市場70%以上，在汽車、船舶、工程機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域備受青睞。
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對于特定的激光切割應(yīng)用，制造商在選擇激光切割設(shè)備系統(tǒng)時(shí)越來越注重經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，使其生產(chǎn)線能實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量、高可重復(fù)性加工，從而降低成本。目前在切割領(lǐng)域占主導(dǎo)地位的是CO2激光，隨著光纖激光器的技術(shù)成熟和飛速發(fā)展，其所具有的切割速度快、能量集中、電光轉(zhuǎn)化率高、加工柔性等眾多優(yōu)點(diǎn)，將有望替代傳統(tǒng)的CO2激光。
光纖激光的波長為1070 nm，是CO2激光波長的1/10。圖1為金屬材料對不同波長激光的吸收率�？梢钥闯�，短波長的光纖激光更容易被金屬材料吸收。例如低碳鋼對CO2激光的吸收率不足10%，而對光纖激光的吸收率高達(dá)35%。這也使得光纖激光能夠切割如鋁、銅等高反射性材料。
圖1 金屬材料對不同波長激光的吸收率
圖2 不同工業(yè)激光的光束質(zhì)量參數(shù)與輸出功率的關(guān)系
圖2為不同工業(yè)激光的光束質(zhì)量參數(shù)(BPP)與輸出功率的關(guān)系，BPP 值越小表明光束質(zhì)量越好。與其它激光相比，光纖激光具有更好的光束質(zhì)量（只在5~10kW范圍略遜于CO2激光）。光纖激光的低BPP值，使其在高亮度、細(xì)焦斑、長焦深、長焦距下能遠(yuǎn)距離工作，增強(qiáng)了其在材料加工中的適用性，提高了切割精度。同時(shí)光纖激光器在高輸出功率時(shí)也能傳輸高質(zhì)量光束，使它也能適用于由CO2激光所主導(dǎo)的厚板金屬切割。
高光束質(zhì)量、高功率密度使光纖激光切割效率更高，可快速切割較薄材料以及更加有效地切割中等厚度材料。圖3為光纖激光與CO2激光切割不銹鋼薄板的速度對比，可以看出，薄板的光纖激光切割速度可達(dá)到同等功率CO2激光切割的2~3倍。IPG 2kW光纖激光切割系統(tǒng)切割0.5 mm碳鋼的速度可達(dá)40 m/min。切割6 mm厚的材料時(shí)，1.5kW光纖激光切割系統(tǒng)的切割速度相當(dāng)于3kW CO2激光切割系統(tǒng)的切割速度。光纖激光切割的高速度、高效率已得到大量研究報(bào)道的證實(shí)。
圖3 光纖激光與CO2激光切割不銹鋼板速度對比
傳統(tǒng)CO2激光切割機(jī)的光路完全依靠反射鏡傳播，體積較大，占用場地大，對機(jī)架和導(dǎo)軌要求極高，難以實(shí)現(xiàn)大幅面和多維切割。圖4為高柔性光纖激光切割系統(tǒng)示意圖，光纖激光通過光纖傳輸至激光頭，無需調(diào)整光路，使機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常簡單，切割系統(tǒng)更加緊湊。
圖4 高柔性光纖激光切割系統(tǒng)示意圖
光纖激光更重要的一個(gè)優(yōu)勢是加工柔性極高，可以加工任意圖形，亦可切割管材及其他異型材，能夠用于各種多維任意空間的加工，為三維激光切割技術(shù)在車身制造中的應(yīng)用提供了巨大的發(fā)展空間。光纖激光+工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。
CO2激光的光路完全依靠反射鏡傳播，光路衰減快，能量損失較多，其電光轉(zhuǎn)化率在10%以下；而光纖激光的電光轉(zhuǎn)化率可高達(dá)30%，大幅降低工作耗電，降低運(yùn)行成本。
CO2激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本高，反射鏡和諧振腔需定期維護(hù)，渦輪機(jī)軸承更換費(fèi)用昂貴。而光纖激光切割機(jī)由光纖傳輸，無需復(fù)雜的反射鏡等導(dǎo)光系統(tǒng)，光路簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，外光路免維護(hù)，平均無故障時(shí)間超過10萬小時(shí)，且基本無耗材。圖5給出了4 kW功率下不同工業(yè)激光器的相應(yīng)成本，可以看出光纖激光設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)等成本是最低的。
相比于傳統(tǒng)CO2激光切割具有技術(shù)、效率、設(shè)備和成本優(yōu)勢，光纖激光為工業(yè)領(lǐng)域帶來了一種綜合成本低、高效生產(chǎn)力的切割加工解決方案，有望替代占據(jù)主要市場的CO2激光切割。
