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為了理解固態(tài)激光器——有時在機床車間也被稱作為“光纖”激光器，讓我們先從最基礎(chǔ)的知識開始：這其中包括其與二氧化碳激光器技術(shù)相比所呈現(xiàn)的差異，以及如何正確描述各種不同形態(tài)的固態(tài)激光器等等。對機床應(yīng)用來說，波長為10.6μm的頗具可靠性的二氧化碳激光器是過去幾十年間的首選方案。二氧化碳是用于形成激光束的兩種常用氣體之一，另外的氣體是氦氣與氮氣。這些氣體在振蕩器內(nèi)保持活躍并起到作用，直到最終被消耗掉。與此相對，固態(tài)激光器技術(shù)則使用固體元件（通常是YAG或摻雜了稀土的玻璃晶體），以同樣的方式產(chǎn)生激光束。不同的固態(tài)激光器光源（如碟片型、光纖型、或棒型）是根據(jù)作為摻雜劑載體的晶體形狀來定義的。機床生產(chǎn)商可購得的兩種被討論最多的固態(tài)激光器技術(shù)，即碟片激光器和光纖激光器，產(chǎn)生的光束均為1μm。從最基本的意義上看，兩者的區(qū)別在于，其中一個光源的活躍部件像一只小碟片，而另一種是用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器。

 

固態(tài)激光技術(shù)在（2D、3D和圓形）鈑金切割中得到了廣泛的應(yīng)用，因為1μm激光束潛在的能量密度要遠高于二氧化碳激光器。這是由最小的焦斑直徑以及材料對光束波長吸收性更好所產(chǎn)生的結(jié)果。用戶從這類激光器得到的好處通常是能夠以非?？斓乃俣惹懈铋T類廣泛的金屬，包括黃銅、青銅和更容易形成等離子體的特殊材料。

 

 

盡管固態(tài)激光器速度更快，使用更簡單，但這種技術(shù)也面臨著自身的難題和挑戰(zhàn)。由于2D激光器的平均切口寬度非常窄，通過切口的輔助氣體流量非常小，從而使得材料從切口中射出比較困難。因此這種技術(shù)通常用于加工薄型材料。這與鈑金加工行業(yè)對功率越來越大的激光器的需求相反。因為高產(chǎn)量可以直接轉(zhuǎn)化為更高速的切割、更厚的材料加工能力以及更好的邊緣質(zhì)量。德國通快（TRUMPF）集團通過研發(fā)BrightLine光纖技術(shù)打破了這個局限。該技術(shù)可以提供一種非常小、另一種非常大的兩種極為不同的光束直徑控制范圍。通過瞄準來簡單控制激光束直徑不是一個充分的解決方案，因此這種光纖技術(shù)對任何尋求在全天的加工任務(wù)中能靈活加工全系列材料類型和厚度的工廠來說，特別受青睞。

 

 

圖1： 在采用配置了BrightLine 光纖技術(shù)的TruLaser 5030 光纖激光機上， 使用8kW的TruDisk激光器切割1 英寸碳鋼。

 

隨著市場對鈑金加工用固態(tài)激光器需求的增加，以及BrightLine Fiber專利技術(shù)極大擴展了材料加工的效率，人們將目光轉(zhuǎn)向了功率更高、特別是6-8kW范圍的激光器（圖1）。這種高功率在CO2激光平臺并不常見。功率的提高對薄質(zhì)材料的實際影響很小，因為很少有部件會采用非常長的線性切割。因此，每分鐘達上千英寸的潛在切割速度是不太可能實現(xiàn)的。

 

切割中等厚度的材料（如11或7Ga的碳鋼）時，產(chǎn)量的提升最顯著。在這個厚度范圍內(nèi)，固態(tài)激光器的切割速度要比CO2激光器快好多倍，但依然不足以達到潛在最高的切割速度。對于那些購買新的高功率激光器的企業(yè)而言，最大的希望和突破可能是使用氮氣切割0.25 英寸的碳鋼（圖2）。盡管CO2激光器能夠提供良好的切割質(zhì)量，但如果要用到大量的氮氣，其速度就不夠快到足以盈利的水平。

 

圖2：激光2D 切割的最大突破是用氮氣通過通快的8kW TruDisk 激光器和BrightLine 光纖技術(shù)切割0.25 英寸厚的碳鋼。

 

同時，功率水平這么高的固態(tài)激光器足以為客戶帶來無毛刺的邊緣質(zhì)量，但更重要的是，還可以提高速度。特別是當(dāng)功率達到8kW 時，從生產(chǎn)能力與氮氣耗用量之比來看，熔融切割的優(yōu)勢明顯，切割0.25英寸的碳鋼時，可以獲得光潔平滑的邊緣，涂布前不需要清潔，因此有望實現(xiàn)盈利。

 

但功率的增長需要額外的成本。為了說明這些限制因素，可舉幾個例子。試考慮設(shè)備本身的動態(tài)狀況以及傳輸部件所需的巨大的能量密度。如上所述，每分鐘切割數(shù)千英寸是一件令人贊嘆的事，但如果給切割頭定位的運動單元太重，不能準確而穩(wěn)定地將機器加速至最高速度，那么它就沒有價值。人們可能會期望機床制造商安裝更大、更強的驅(qū)動元件，但事情并非如此簡單。如果不顯著降低運動單元的重量，被切割部件的幾何形狀的精度就會受到影響，并且施加到運動單元和機架上的大量的慣性會在加速時造成部件扭曲，從而使驅(qū)動元件受到磨損。

 

有了光束傳輸部件， 一旦達到高的功率（如6kW或8kW），切割頭中對焦鏡頭的能量密度足夠高，以至于實際對焦點開始在那些足夠長的切口上移動，從而確保激光束呈滿功率激活狀態(tài)。這造成了一個很大的挑戰(zhàn)，因為切割過程可能會不穩(wěn)定，除非有現(xiàn)成的元件可以積極地監(jiān)測這些可變因素。

 

 

因而需要探索能夠?qū)⒏吖β始す馄鞒晒捎谄脚_式機床上的方法。為此，我們將以配有8kW TruDisk光纖激光器（圖3）的通快TruLaser 5030光纖激光機為例。在開發(fā)這個平臺時，利用了可用于激光焊接的先進連接技術(shù)，以增加部件強度、剛度，并實現(xiàn)大幅減重的設(shè)計。通過減輕質(zhì)量，并提供動態(tài)性能更高的架構(gòu)，激光焊接工藝在TruLaser 5030光纖激光機上實現(xiàn)了更快、更強的驅(qū)動。驅(qū)動裝置現(xiàn)在可以通過切割工藝，以極高的速率加速，這個被稱為“急速拉伸”的加速速率是當(dāng)今市場上任何其它解決方案所不能匹敵的。這也是影響鈑金2D切割等常見輪廓密集型部件切割應(yīng)用的最大因素。

 

圖3：通快TruDisk 碟片激光器的腔體

 

現(xiàn)在，機床制造商以及終端產(chǎn)品制造商有能力掌控6kW或8kW激光器的性能，不會在運動單元與框架之間造成沖突，從而避免引發(fā)后續(xù)的各種不穩(wěn)定因素。

 

盡管僅通過創(chuàng)新的焊接工藝和聰明的工程制造可以打破驅(qū)動部件的局限，但對切割單元焦點偏移的控制則更具挑戰(zhàn)。像通快這樣的垂直整合企業(yè)的優(yōu)勢在于有能力控制整個工藝環(huán)節(jié)，包括激光光束的形成、與激光器及光學(xué)器件的連接到光學(xué)器件本身。例如，TruLaser 5030 fiber光纖型激光切割機的光學(xué)器件內(nèi)就包含光傳感器。這個光傳感器系特別為機器的一系列平臺打造，以主動監(jiān)測焦斑直徑以及激光束模式。這將確保6kW或8kW激光器的焦點漂移因素得到考慮，并能在切割過程中主動調(diào)節(jié)焦點的位置。如果沒有這項技術(shù)，制造商幾乎不可能切割各種不同幾何形狀和厚度的部件，特別在自動化環(huán)境中更是如此。

 

即便現(xiàn)在可以向制造商提供多種激光功率，市場的趨勢依然是希望激光加工中有更多選擇。為滿足這些要求，那些能迅速對更高的功率需求做出適當(dāng)反應(yīng)的制造商將會向市場引入新的創(chuàng)新技術(shù)。