光纖雷射 VS CO2雷射,深度對比看這裡


光纖雷射 VS CO2雷射,深度對比看這裡

2021-01-15 焊接切割聯盟

雷射加工機的市場銷售與動向

目前,在鈑金加工行業內主要的金屬鈑金切割雷射加工機有2種,一種是大約20年前從工業雷射改造成產品的CO2雷射加工機,另一種是大概5年前正式從工業雷射改造成產品的光纖雷射加工機。從近幾年中國鈑金設備市場中雷射加工光機的銷售台數來看,CO2雷射加工機占40%而光纖雷射加工機占到60%。雖然2007年的時候,在市場上銷售的雷射加工機基本上100%是CO2雷射加工機,但是我們知道,近年來光纖雷射加工機的勢頭猛烈,正在不斷地被市場認可,銷售台數正逐步擴大。

CO2雷射和光纖雷射的基本區別

雖然現在的市場趨勢是偏向光纖雷射加工機,但是光纖雷射加工機真的是最好的選擇嗎?CO2雷射和光纖雷射,兩者因雷射的物理特徵不同,所以雷射加工的工藝也不同。當然實際上兩者有各自的長處和短處,根據加工對象的不同,各自有優勢也有劣勢。

CO2雷射是通過激發二氧化碳分子而得到的氣體光束,它的波長是10.6μm;而光纖雷射是在光纖中放入一種作爲媒介的Yb(ytterbium)化合物的結晶,將這個結晶體用光束照射後得到的固體雷射,它的波長是1.08μm。波長不同這一物理特點對兩者的加工特性帶來很大的影響。

最初光纖雷射這一概念是由於它是通過光纖能夠傳播的雷射被人認識的。能夠通過光纖進行傳播的原因在於它的波長,正因爲它1.08μm的波長,才能夠通過光纖進行傳播。用光纖進行傳播的優勢就是它的光學部品的使用壽命較長以及維護性能較高。

CO2雷射加工機從發振器到加工點,是藉助反射鏡傳播雷射的,一般是在與外界空氣隔離的光路內進行傳播。光路內雖然被沒有普通灰塵或異物的空氣所填滿,但是反射鏡的表面經過長時間使用以後,也會被髒東西附著,需要進行清掃。另外,反射鏡本身也會因吸收微量的雷射能源而損耗,需要進行更換。再加上要從發振器到加工點傳播雷射,需要用多個反射鏡來調整雷射的反射角度進行傳播,所以要維持正常的運行需要一定的技術能力和管理。

但是,光纖雷射加工機從發振器到加工點,雷射是經由1根光纖來傳播的。這根光纖一般被叫做導光光纖。由於不需要像反射鏡那樣的光學部品,又是在與外界空氣隔離的導光光纖內傳播雷射的,所以雷射幾乎不會被損耗,可是嚴格說來,雷射在導光光纖的外圍進行反覆傳播,所以導光光纖自己本身多少會有所損耗,不過這個和CO2雷射加工機中的反射鏡相比,使用壽命要長好幾倍。另外,如果傳播路徑是在導光光纖的最小曲率以上的話,那麼就能夠自由決定路徑,所以調整和維持起來也非常方便。

在雷射的生成過程(雷射發振器構造)中,兩者也有所不同。CO2雷射發振器是將混有CO2的氣體放置在放電空間之後,生成雷射的。爲了確保從雷射輸出功率而得出的共振長正常運作,在發振器的內部配置了光學部品,而且發振器內部的光學部品需要進行定期的清掃和更換。

光纖雷射發振器,就像剛才所提到的,生成雷射是在光纖內部進行的,而且與外界空氣相隔離,沒有光學部品,所以就幾乎沒有必要定期維護。

CO2雷射發振器的清掃等維護周期是設定在大約4000個小時,而光纖雷射發振器是設定在大約20000個小時。前面所提到的在使用壽命和維護性能等方面,可以說對於光纖雷射加工機來說有很大的優勢。

另外,我們也可以試著從消耗電力之類的運營成本角度也來進行比較。CO2雷射發振器的光電轉換率據說大概在10~15%,而光纖雷射發振器大概在35~40%。由於光電轉換率高,所以轉變成發散熱量的電氣能源變少,光纖雷射加工機才能夠將冷卻機之類的冷卻裝置所消耗的電力控制得更低。一般來說,光纖雷射加工機的發振器,對於發振器的冷卻溫度管理相對於CO2發振器來說精度要求更高,但是,同樣的雷射輸出功率下,光纖雷射加工機的發振器用CO2雷射發振器的1/2~2/3左右的冷卻能力就足夠了。所以從雷射加工機所有裝置的消耗電力來考慮,光纖雷射加工機在CO2雷射加工機的1/3左右的消耗電力下就能夠運行,可以說是非常節能的雷射加工機。

加工特性的區別

在CO2雷射和光纖雷射的加工方面,因各自的波長不同,兩者的區別很大。

不鏽鋼材料的加工速度比較圖

在加工不鏽鋼材料時,CO2雷射加工機和光纖雷射加工機的加工速度的比較圖。雷射的輸出功率都是4kW。我們可以看到在板厚4.0mm以下的領域中,光纖雷射加工機能夠以CO2雷射加工機的2~3倍的加工速度進行加工。

爲什麼即使在同樣的輸出功率下,加工速度方面會有這麼大的差距?首先可以說是因爲雷射能源對金屬材料的吸收率這一部分存在著很大的差異。不僅僅是金屬材料,世間萬物中,由於物質的物理特性不同,在不同的光的波長下,光能的吸收率也不同。例如上述所舉的不鏽鋼材料,它對CO2雷射的吸收率大約是12%,而對光纖雷射的吸收率是大概35%,相差3倍左右。所謂的吸收率高,是指雷射在照射到金屬材料之後,光能轉換成熱能後熔化金屬材料這一步驟的時間非常短,所以也就能夠以很快的加工速度形成切割加工工藝。

如果要用雷射加工機對石英玻璃進行切割加工的話,那麼用CO2雷射加工機是可以進行切割加工的,但是用光纖雷射加工機卻不能進行切割加工。這個是由於石英玻璃可吸收CO2雷射的波長,而對光纖雷射的波長不吸收反而會穿透這一物理原理引起的。另外,平時我們所說的光纖雷射在鋁、銅等高反射性材料的切割領域中,比CO2雷射加工機更加有優勢,也是因爲金屬材料更能吸收光纖雷射的波長這一物理特性的原理。

在比較不鏽鋼材料的加工速度時,我們可以看到在板厚超過6.0mm的領域內,兩者的加工速度是基本相同的。從切割加工的工藝來看,與其參考瞬間熔化金屬的係數,還不如參考如何將熔化的金屬更高效排除的係數更爲重要。用雷射進行切割加工時,要一邊將輔助氣體(普遍是指氮氣、氧氣等)噴射至加工點一邊將雷射照射至材料,這樣才能得到良好的加工狀態。不同的切割對象的材料,採用的輔助氣體也不同。另外,輔助氣體的另一大作用是將熔化後的金屬從材料的下方隔離出來。在加工對象是厚板的情況下,要得到良好的切割狀態,需要輔助氣體發揮作用,把要熔化的金屬從材料的下面部分下方隔離出來,最終可以達到提高加工速度的效果。

但是,從加工領域和切割品質的角度來看,可以說CO2雷射加工機更勝一籌。CO2雷射加工機在行業內自實用化以來大概經歷了30年的歷程,它的加工工藝中很多的特性已經被大家研究透徹,所以已經能夠對應從薄板到厚板的加工領域。另外,加工技術也已經非常成熟,可以保證一定的加工品質,不僅僅具備了切割各種形狀的加工技術,同時還具備了能夠確保切割面達到一定粗糙度之類的加工技術。

用光纖雷射加工機的切割加工在保證切割品質方面還有一些難題未能解決。特別是在板厚超過3.0mm的領域內,用光纖雷射加工機加工出的產品,切割面的下方會有一些明顯的小顆粒附在表面難以剝離,這些小顆粒就是我們常說的浮渣。另外,切割加工面也與CO2雷射加工機相比成形更加粗糙。這個就是上述所說的對金屬材料的吸收度較高這一特性所引起的現象。雷射加工是將雷射反射至材料表面,然後金屬被熔化之後落下去的過程。光纖雷射在吸收率比較高的金屬表面被反射時,會引起反吸收熔化切割面的金屬,導致切割後得到的切割斷面變得粗糙。

CO2雷射加工機的加工成形樣品(不鏽鋼材料20mm)

加工品質是難以將其數值化的項目之一,所以很多客戶在選擇雷射加工機時不怎麼重視。但是,前面所講的浮渣問題就是有關加工品質的問題。採用光纖雷射加工機即使速度變快,成本控制得很低,雷射切割加工之後,要是需要進行去除浮渣等後道工序的話,總的加工成本與用CO2雷射加工機加工出來的成本差不多。意思是說,大家需要更加重視雷射切割加工機的加工品質。

雷射加工機的運動性能

雖然我用光纖雷射和CO2雷射的概念進行了比較,但是實際在選擇雷射加工機時,只要做這樣的比較就可以了嗎?光纖和CO2的概念,始終是雷射加工機的構成要素——發振器的比較。雷射加工機的構成系統中還有叫X、Y、Z的驅動軸,這個驅動軸的運動性能和控制性能也是一個很大的構成要素。

雷射加工機加工的形狀除了圓孔、方孔、矩形以外還有異形孔、楔形、凹凸等複雜的外觀形狀。所以不管加工速度有多快,如果決定加工形狀的XY驅動軸的運動性能低的話,縮短加工時間也就無望了。假設用光纖雷射機加工,加工速度是40m/min,用CO2雷射加工機加工,加工速度是20m/min,那麼光纖雷射機的加工時間會是因爲它的速度是CO2雷射加工機的2倍,所以在加工某個形狀時,加工時間也是CO2雷射加工機的1/2嗎?如果加工的形狀複雜,加工孔數多的話,答案就變成了NO。要明顯體現出加工速度差的話,需要提高驅動軸的運動性能,特別是切割加工時的加減速能力。

雷射加工機的綜合能力

有了較高的加減速性能,還需要能夠承受其運動性能的強韌的高剛性機架。爲了保持產品的加工精度,就需要能夠控制高運動性的內在結構。要最大發揮發振器的雷射加工能力,就需要提高包括驅動軸在內的雷射加工機的綜合能力。

因爲光纖雷射加工機的構成要素相對比較簡單,所以在考慮設計和製造雷射加工機時,沒有雷射加工技術,也能製造出一定質量的光纖雷射加工機。另外,光纖雷射加工機的很多構成要素在市場上是可以買得到的,而且將這些構成要素組裝後做出來的加工機其加工能力也基本不遜色。這就是最近爲什麼製造銷售光纖雷射加工機廠家泛濫的原因之一。

但是在CO2雷射加工機中,需要很多像雷射傳播之類的加工技術,所以各個加工機廠家之間就很容易出現特徵和性能方面的差異。真正的雷射加工機的廠家應該具備成熟的技術,有能力設計和製造CO2雷射加工機,還要用從生產CO2雷射加工機所積累的加工技術能夠用來來設計和製造光纖雷射加工機,擁有這樣子加工技術的廠家才是今後加工機市場上所需要的。

雖然加工精度和加工品質很難用數值來表現,但是能夠始終保持較高的加工精度和加工品質,而且運動性能也非常高的雷射加工機才是最好的選擇。但是,在決定之前還需要根據加工內容,進行冷靜判斷。如果加工的材料中薄板比較多,生產量比較大,還想控制加工成本的話,光纖雷射加工機是最好的選擇。但是,如果很多時候需要加工超過6.0mm的厚板,或者需要達到一定加工品質的話,CO2雷射加工機比較合適。後續作業需要用另外的工藝進行,而且用人力來操作的話,總的加工成本是非常高的。在選擇雷射加工機時,除了判斷雷射加工工序以外,請從您的產品和製造的角度來進行綜合的判斷。

文章來源:雷射切割知識技術平台,作者:鬧兒洋。

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