文／David Larcombe·百超英國(guó)分公司董事總經(jīng)理

光纖激光和CO2激光切割工藝的應(yīng)用分析

文／David Larcombe·百超英國(guó)分公司董事總經(jīng)理

在客戶(hù)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(guó)的兩個(gè)百超工廠(chǎng)對(duì)這兩種工藝進(jìn)行了比較、展示及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該議題作為重點(diǎn)也在客戶(hù)群中引發(fā)了熱烈的討論。

在某次與客戶(hù)討論的過(guò)程中，百超公司并沒(méi)有簡(jiǎn)單地強(qiáng)調(diào)理論，而是以用戶(hù)三年來(lái)的實(shí)際體驗(yàn)為例進(jìn)行分析，這次討論的結(jié)果使得百超公司在英國(guó)一次性就售出了35臺(tái)光纖激光切割機(jī)。筆者將百超公司與客戶(hù)進(jìn)行的若干次討論匯總成文，與讀者進(jìn)行分享，期望大家能夠從中獲得啟發(fā)。

光纖激光器

簡(jiǎn)單地說(shuō)，光纖激光器的原理就是通過(guò)二極管生成激光光束，然后以類(lèi)似于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w光纜為介質(zhì)，對(duì)光能進(jìn)行引導(dǎo)和放大，并經(jīng)過(guò)光纖光纜的準(zhǔn)直或校直，最后通過(guò)光學(xué)透鏡在切割材料上聚焦。

與傳統(tǒng)的CO2激光器相比，光纖激光器的電光轉(zhuǎn)換效率是其兩倍；光束通過(guò)光纖光纜進(jìn)行傳輸，不需要配備昂貴的光學(xué)透鏡。而且與傳統(tǒng)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(hù)額外配置耗材。

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

當(dāng)輸出功率更高，達(dá)到4kW時(shí)，光纖激光器的速度優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)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(jī)型僅僅對(duì)那些切割厚度主要分布在6～8mm的材料，或是希望用一臺(tái)切割機(jī)就能應(yīng)付所有切割業(yè)務(wù)的客戶(hù)而言更為有益。

光纖激光器的優(yōu)勢(shì)主要在于：

⑴不同于傳統(tǒng)的CO2諧振腔或是盤(pán)式激光器，光纖激光器的激光光束在生成過(guò)程中無(wú)需移動(dòng)配件或鏡片組件，從而減少維護(hù)需求，降低運(yùn)轉(zhuǎn)成本。

⑵電光轉(zhuǎn)換效率大幅提高，顯著降低運(yùn)轉(zhuǎn)成本。一臺(tái)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(duì)厚度為1mm的軟鋼板、鍍鋅鋼板或不銹鋼板進(jìn)行直線(xiàn)切割時(shí)，速度是4kW的CO2激光器的三倍。厚度增加為2mm時(shí)，速度也會(huì)比CO2激光器快一倍。

⑷可切割高反射材料，無(wú)需擔(dān)心背反射損壞機(jī)器。這使得光纖激光器可用于切割銅及鋁制材料。

⑸保養(yǎng)周期延長(zhǎng)50%，維護(hù)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(guò)5mm的材料時(shí)速度差強(qiáng)人意，而CO2激光切割機(jī)不僅在直線(xiàn)切割時(shí)速度更快，而且在切割開(kāi)始的穿孔階段所需的時(shí)間也短得多。此外，CO2激光切割機(jī)還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是在切割加厚材料時(shí)，切割面更加平整。

在對(duì)那些采購(gòu)光纖激光器和CO2激光器的百超英國(guó)用戶(hù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，我們總結(jié)如下：

⑴在采購(gòu)光纖激光器的用戶(hù)中，超過(guò)70%為分包商，剩下的一小部分才是代工工廠(chǎng)（OEMs）。這一點(diǎn)讓人出乎意料，因?yàn)楣饫w激光器的優(yōu)勢(shì)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(rèn)為OEMs應(yīng)該會(huì)更傾向于選擇光纖激光器。而對(duì)于分包商而言，他們無(wú)法預(yù)測(cè)下一項(xiàng)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(lái)說(shuō)，CO2激光器的適用范圍更廣，應(yīng)該更有優(yōu)勢(shì)。

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(hù)就可以根據(jù)需要選擇適合的機(jī)器。

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

⑷選擇光纖激光工藝的另外一個(gè)重要原因是其運(yùn)轉(zhuǎn)成本低、耗電少。這對(duì)于那些用電量居高不下的工廠(chǎng)而言特別重要。

FC激光器公司的應(yīng)用體驗(yàn)

位于英國(guó)伊肯斯頓（Ilkeston）的分包商FC激光器的董事總經(jīng)理Danny Fantom表示，百超曾建議其對(duì)現(xiàn)有的4.4kW的CO2激光器進(jìn)行升級(jí)，補(bǔ)充一臺(tái)3kW光纖激光器。盡管Fantom一開(kāi)始對(duì)這種功率更低的配置持懷疑態(tài)度，但他最終還是采納了百超的建議。

2個(gè)月后，F(xiàn)antom驚喜地發(fā)現(xiàn)，光纖模塊加CO2模塊的新組合無(wú)論是在切割速度，還是在切割質(zhì)量方面，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)他的預(yù)期。Fantom說(shuō)：“新組合的切割質(zhì)量穩(wěn)定可靠，完全不需要調(diào)整，而且在大多數(shù)情況下，運(yùn)轉(zhuǎn)速度比原來(lái)快一倍?！?/p>

光纖模塊加CO2模塊的新配置能夠幫助分包商確保加工質(zhì)量及交貨時(shí)間，另外還有助于拓展銅、鋁等新業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

Brattonsound工程公司的應(yīng)用體驗(yàn)

位于英國(guó)薩頓的Brattonsound工程公司用一臺(tái)2kW的光纖激光切割機(jī)替換了已經(jīng)使用3年的2.2kW的CO2激光切割機(jī)。Brattonsound的主要業(yè)務(wù)是切割燃?xì)馊∨骱捅ｋU(xiǎn)箱所用的厚度不超過(guò)2mm的薄板。

新機(jī)器在實(shí)際生產(chǎn)中的性能表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)期，有時(shí)的切割速度甚至可以達(dá)到原來(lái)的三倍，其平均值也能達(dá)到原來(lái)的2倍。切縫質(zhì)量與原來(lái)相當(dāng)，但整體切割速度更快，質(zhì)量也更加均一。

正如所預(yù)料的那樣，新機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)成本也較之前有所下降。因?yàn)楣饫w激光器為固態(tài)激光器，電光轉(zhuǎn)換效率更高，負(fù)載從原來(lái)的37kW降至16kW，不到原來(lái)的一半。綜上考慮，新機(jī)器所節(jié)約的電能和切割氣體，可使每個(gè)工件的運(yùn)轉(zhuǎn)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(wèn)題就是在更換機(jī)器之前，操作人員可以利用兩個(gè)切割作業(yè)之間的時(shí)間組裝零件，但是啟用新機(jī)器后這樣根本來(lái)不及，一旦材料上機(jī)，就會(huì)被立即切割，甚至等不到上一個(gè)零件拆卸下來(lái)。

ICEE管理服務(wù)公司的應(yīng)用體驗(yàn)

ICEE管理服務(wù)公司位于英國(guó)Waterlooville的工廠(chǎng)是激光切割行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。2011年夏天，公司用體積相近的2kW光纖激光器取代了原來(lái)的CO2激光器。ICEE工程項(xiàng)目經(jīng)理Chris Arnold解釋道：“ICEE為一個(gè)長(zhǎng)期客戶(hù)制造電氣外罩，一直在用原來(lái)那臺(tái)2kW的CO2激光器切割材料?！?/p>

完成該客戶(hù)的一個(gè)訂單，需要甚至超過(guò)38h，這樣就要占用機(jī)器整整一周的時(shí)間，而且期間設(shè)置不能改動(dòng)。在第一次使用光纖激光器時(shí)，操作人員竟然在周一就詢(xún)問(wèn)生產(chǎn)經(jīng)理下一步工作計(jì)劃是什么，因?yàn)檫^(guò)去要耗時(shí)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(gè)加工型孔數(shù)量為260個(gè)、厚度為2.6mm的銅板切割項(xiàng)目中，每組切割時(shí)間僅為55s。用Arnold的話(huà)說(shuō)：“新機(jī)器簡(jiǎn)直太快了。”

WEC集團(tuán)的應(yīng)用體驗(yàn)

2013年1月，WEC集團(tuán)在位于英國(guó)蘭開(kāi)夏郡的Darwen工廠(chǎng)內(nèi)安裝了一臺(tái)光纖激光切割機(jī)。應(yīng)用表明，在加工厚度介于1.5～4mm的不銹鋼板時(shí)，生產(chǎn)成本顯著降低。激光工藝部總經(jīng)理助理Gareth Taylor表示，某些材料的切割速度比原來(lái)快一倍。

不僅如此，長(zhǎng)度僅有1.5m的光纖激光器，其功率就能達(dá)到原來(lái)3m放電管的效果，可切割高反材料及熱導(dǎo)材料，如銅、黃銅等，而這是之前CO2激光器所無(wú)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(xué)元件，光纖激光器的使用還幫助WEC拓展了這項(xiàng)新的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。在鋁材加工時(shí)，即使是少量的回光，也會(huì)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(nèi)，切割就不成問(wèn)題。新機(jī)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(yè)降低運(yùn)轉(zhuǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)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(chǎn)業(yè)聚集地，因此WEC一直希望能夠拓展航空配件這一新的業(yè)務(wù)領(lǐng)域?，F(xiàn)在WEC已經(jīng)是非飛行配件的供應(yīng)商，并且正在申請(qǐng)航空航天行業(yè)專(zhuān)用的AS9100質(zhì)量管理體系認(rèn)證。用百超光纖激光器進(jìn)行切割作業(yè)，切縫質(zhì)量高，熱影響區(qū)小，這對(duì)于WEC拓展航空航天業(yè)務(wù)極為重要。

WEC經(jīng)常會(huì)涉及切割不銹鋼薄板的業(yè)務(wù)，這也成為公司最終決定采購(gòu)光纖激光器的主要原因。在激光切割行業(yè)累積了20余年經(jīng)驗(yàn)的Taylor表示，光纖激光切割機(jī)可24h不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，70%的時(shí)間用于切割不銹鋼，而不銹鋼是一種能夠充分發(fā)揮光纖激光器優(yōu)勢(shì)的材料，能夠很快獲得回報(bào)。在另外30%的時(shí)間里，機(jī)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(lái)無(wú)法企及的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

3kW光纖激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，約為10m× 6m，切割區(qū)域面積為3048mm×1524mm，同步定位速度最大為140m/s，軸加速度可達(dá)12m/s2。WEC所采購(gòu)的模塊還包括一個(gè)用于小部件傳輸?shù)膫魉蛦卧?，以便從機(jī)器下方將小部件從工作區(qū)域傳送至裝載區(qū)域后方。

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)目前百超的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，傾向于選用新型光纖激光器的用戶(hù)大部分是分包商，他們可能是擅長(zhǎng)切割薄板的企業(yè)，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(shè)備的企業(yè)，希望通過(guò)增加光纖激光器，對(duì)現(xiàn)有板材切割能力進(jìn)行擴(kuò)充。