CO2激光器用于金屬切割和焊接領域已有幾十年,但由于軸流式CO2激光器占用空間較大,操作成本較高,限制了其更廣泛的應用。與軸流式激光器相比,較低功率的板條放電封離型CO2激光器結構緊湊、性能可靠、經濟性更好。
相干公司最近推出了一種新型METABEAM系統(tǒng),基于1kW的Diamond CO2激光器,所能達到的切割速度可與2kW量級的軸流式激光器相比。METABEAM 1000系統(tǒng)使基于激光器的金屬切割操作更方便,幫助它們擴展了市場,對那些小規(guī)模經營和作業(yè)的車間極具吸引力。下面我們會比較兩種類型激光器切割常用金屬的情況,并總結板條放電封離型CO2激光器購置成本的優(yōu)勢。板條放電諧振腔設計以及適當的光束調制光路,能產生優(yōu)質的高斯輸出光束,其M2值較?。?lt;1.2),所以能獲得較小的焦斑,幾乎將全部激光能量集中在光束中央。板條放電設計能自然地產生接近方波形狀的脈沖,上升和下降時間極短。由于卓越的光束質量和高峰值功率的方波脈沖,所獲得的切割特性,能夠使板條放電封離型激光器與更高功率的軸流式激光器相抗衡。特別是Diamond E-1000(1kW)所能實現的薄金屬切割速度,一般相當于使用2kW軸流式激光器所達到的切割速度——因為激光功率是通過可控而且受限的方式來輸出,而非只用“蠻力”,所以使切割薄金屬更加有效。采用相干Diamond E-1000(1kW)和2kW軸流式激光器切割冷軋鋼的速度。事實上,相比較軸流式2kW激光器, 1kW板條放電封離型激光器在切割各種厚度的材料(厚度可達0.25英寸)時,能夠達到等同的(實際上稍高的)切割速度。
以氮氣為輔助氣體切割不銹鋼時,1kW Diamond激光器仍然能夠媲美2kW軸流式激光器的切割速度。切割冷軋鋼與不銹鋼的結果之間存在著差異,主要原因是使用了不同的輔助氣體。以氧氣為輔助氣體時,產生放熱反應,釋放額外熱量,進一步促進切割。而以氧氣輔助切割時,會產生更大的微粒,可以方便地從激光加工區(qū)域吹走。上述兩種效應都有利于Diamond激光器,其較小的高峰值功率焦斑能夠在聚焦區(qū)域產生非常高的能量密度。相反,氮氣用作輔助氣體時,不發(fā)生反應,還能冷卻加工區(qū)域。因此,同等的初始功率的應用更有價值。1kW的Diamond激光器在切割最高厚度約0.07英寸的材料時,切割速度更高。再次說明,切割更薄的材料時能量高度集中于局部,而切割更厚的材料就需要更大的能量。與軸流式激光器相比,板條放電封離型CO2激光器性能卓越,還具有三個主要方面的購置成本優(yōu)勢,分別是用電、用氣和成本維護。軸流式激光器使用的泵、風機和熱交換器,需要耗費大量的電力。另外,軸流式激光器的效率相對較低,要求的預熱時間較長。板條放電封離結構不使用泵,沒有與之相關的用電成本。同時,光電效率也比快速軸流式激光器高50%左右,節(jié)約了相應的用電成本。此外,板條放電封離型激光器不需要預熱,能夠在需要時隨時出光,節(jié)約時間和額外的能源。
泵的油蒸汽被帶入激光器氣體,所以軸流式激光器需要持續(xù)補充氣體。通過真空泵慢慢清除等量的廢氣,同時必須將新的預混合氣體輸進系統(tǒng)內。另外,渦輪油本身會最終沉積在激光光路上,必須定期清除和清潔,最終需要更換。全封離諧振腔消除了所有這些問題。特別是在設備的40000小時使用壽命期間,氣體自身能夠保持純凈,消除了與換氣、處理、儲存和供給相關的成本,以及更換儲氣罐的停機時間;同時不需要與泵相關的維護和消耗品。而軸流式激光器需要頻繁維護和換油。甚至諧振腔的冷卻水也是通過閉環(huán)系統(tǒng)循環(huán)使用。板條放電封離型結構還使激光器實現了機械穩(wěn)定性,功率與尺寸比、功率與重量比都較高的特點。例如,相干Diamond E-1000是一款1kW激光器,但是包括射頻元件的激光頭尺寸只有1497 x 384 x 471毫米,重量僅173千克。由于尺寸緊湊,集成這些激光器更方便,降低了系統(tǒng)的整體價格,同時占用空間更小。
占用空間更小、碳排放影響更小的激光切割系統(tǒng),對切割應用的益處更大。非金屬和極薄金屬切割的應用,長期得益于這些系統(tǒng),主要是因為板條放電封離型激光器尺寸小、電氣效率高以及切割效率高。這些激光器的功率已經提高至千瓦級功率水平,也可用于切割更厚的金屬板(厚至3毫米)。
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