對于特定的激光切割應用,制造商在選擇激光切割設備系統(tǒng)時越來越注重經濟指標,使其生產線能實現(xiàn)高效率、高質量、高可重復性加工,從而降低成本。目前在切割領域占主導地位的是CO2激光,隨著光纖激光器的技術成熟和飛速發(fā)展,其所具有的切割速度快、能量集中、電光轉化率高、加工柔性等眾多優(yōu)點,將有望替代傳統(tǒng)的CO2激光。
光纖激光切割優(yōu)勢
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35%。這也使得光纖激光能夠切割如鋁、銅等高反射性材料。
圖2為不同工業(yè)激光的光束質量參數(BPP)與輸出功率的關系,BPP 值越小表明光束質量越好。與其它激光相比,光纖激光具有更好的光束質量(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、細焦斑、長焦深、長焦距下能遠距離工作,增強了其在材料加工中的適用性,提高了切割精度。同時光纖激光器在高輸出功率時也能傳輸高質量光束,使它也能適用于由CO2激光所主導的厚板金屬切割。
高光束質量、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40 m/min。切割6 mm厚的材料時,1.5kW光纖激光切割系統(tǒng)的切割速度相當于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道的證實。
傳統(tǒng)CO2激光切割機的光路完全依靠反射鏡傳播,體積較大,占用場地大,對機架和導軌要求極高,難以實現(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,無需調整光路,使機械系統(tǒng)的設計變得非常簡單,切割系統(tǒng)更加緊湊。
光纖激光更重要的一個優(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在車身制造中的應用提供了巨大的發(fā)展空間。光纖激光+工業(yè)機器人集成系統(tǒng)已實現(xiàn)工程化應用。
(1)電光轉換效率高
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,其電光轉化率在10%以下;而光纖激光的電光轉化率可高達30%,大幅降低工作耗電,降低運行成本。
(2)運行維護成本低
CO2激光系統(tǒng)結構復雜,維護成本高,反射鏡和諧振腔需定期維護,渦輪機軸承更換費用昂貴。而光纖激光切割機由光纖傳輸,無需復雜的反射鏡等導光系統(tǒng),光路簡單,結構穩(wěn)定,外光路免維護,平均無故障時間超過10萬小時,且基本無耗材。圖5給出了4 kW功率下不同工業(yè)激光器的相應成本,可以看出光纖激光設備的運行、維護等成本是最低的。
相比于傳統(tǒng)CO2激光切割具有技術、效率、設備和成本優(yōu)勢,光纖激光為工業(yè)領域帶來了一種綜合成本低、高效生產力的切割加工解決方案,有望替代占據主要市場的CO2激光切割。
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