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選擇光纖激光器還是CO2激光器?這是個問題

發布時間:2020-01-07

  經常被問及:對于工業加工,光纖激光器和CO2激光器哪種好?更具體一點,則是:這兩種激光器到底有何長處和短處?光纖激光器可以替代CO2激光器嗎?

  看似簡單的此問題,要說清楚未必是易事。

  我們試從多方面、多角度為用戶提供完備的信息和持平的意見,以期收到釋疑解惑之效。

  光纖激光器產生的激光(后文簡稱為光纖激光)的波長為1.06μm,CO2激光器產生的激光(后文簡稱為CO2激光)波長為10.6μm,均是紅外光,可被材料吸收,而應用于工業材料加工。

  切割是目前應用廣泛的激光工業加工技術。為方便起見,本文展開的討論均基于激光切割,除非另作特別說明。

  兩種激光器的長短優劣

  作為用戶,先得了解光纖激光器和CO2激光器各自的死穴。所謂死穴,就是切割加工的盲區。避開了死穴(盲區)后,再爭短競長,選定適合需要的那一款。

  光纖激光器的死穴

  光纖激光不能切割非金屬,包括木材、塑料、皮革、棉麻織物等。如果需要加工的工件材料恰是非金屬,那么光纖激光器只能落選,而非CO2激光器莫屬。

  汽車內飾件大多為非金屬材料,采用高精度機器人+CO2激光器的加工系統,對其空間曲面進行切割,這樣的加工系統需解決激光束在機器人各關節間的傳輸難題。

  光纖激光也不能切割表面有覆蓋層的材料,如普通覆膜不銹鋼、有防銹涂料的特種鋼板等。有用戶對此注意不夠,而選擇光纖激光器,不得不將普通覆膜的不銹鋼外發切割加工。如要采用光纖激光專用覆膜,則成本升高。

  CO2激光器的死穴

  CO2激光不能切割銅材,包括黃銅、紫銅。如果需要切割銅材,只有光纖激光器夠格。對于CO2激光來說,銅材屬于高反射性材料,激光幾乎全部被反射而不被 吸收;反射光返回激光器,造成危害。CO2激光對鋁合金的反射率也較高。安裝背反射隔離器,可有效保護CO2激光器,從而可an全切割鋁合金。我們且從使用 成本、切割速度、穿孔效率、斷面質量等方面,讓兩種激光器來爭短競長。

  使用成本

  這里,為方便對比兩種激光器的成本差別,僅計算電力、耗材、介質氣體三部分構成的成本,這三部分的成本,兩者是不同的;人力、折舊、場地、切割氣體等,對于兩種激光器來說,成本相同,故不計算。

  兩種激光器均需耗費巨量電力。光纖激光器電-光轉換效率約30%,CO2激光器約10%。以3000W激光器而論,光纖激光器耗電約10kW電力,而CO2激光器耗電約30kW。以電價1元/度、占載率70%計,則成本分別為7元/小時、21元/小時。

  另外,由于效率不同,所以,兩種激光器所產生的熱量不同,需要的水冷機的規格(制冷量)也不同。光纖激光器需要的水冷機的耗電量為13kW,CO2激光 器需要的水冷機的耗電量為18kW。以電價1元/度、占載率70%計,則成本分別為9元/小時、12.8元/小時。在日常使用過程中,采用光纖激光器的切 割機(后文簡稱光纖切割機)需耗費的材料有:聚焦鏡、陶瓷體、噴嘴、保護鏡等,成本約3元/小時。

  另外,據4年來的統計,激光模塊和擴束鏡有其使用壽命,從而分別產生約4元/小時、1元/小時的成本(特別說明,ROFIN光纖激光器需更換的小單元是半導體模組,成本約1元/小時)。

  采用CO2激光器的切割機(后文簡稱CO2切割機)需耗費的材料有:聚焦鏡、陶瓷體、噴嘴、反射鏡等,成本約2.5元/小時。光纖激光器無需介質氣 體;CO2激光器需使用介質氣體才能產生激光,成本約1元/小時。另外,CO2激光器每3000小時進行常規點檢,每6000小時進行深度點檢,發生約2 元/小時的成本。

  綜上,光纖激光器使用成本約24元/小時,CO2激光器則約為38.3元/小時,相差14.3元/小時。按每天使用10小時計,則每天成本差為143 元。市場上關于兩種激光器的使用成本的差別的說法,有些夸大。附帶提一下,光纖激光的傳輸介質為光纖,光束封閉于光纖內,“曲線傳播”,不受外界環境影 響。CO2激光傳輸介質為空氣,直線傳播,靠反射鏡改變傳輸方向,易受外界環境影響,可能需要對這些反射鏡進行維護,從而稍稍增加使用成本。

  穿孔效率

  激光束對工件開始切割前,需穿透工件。光纖激光的穿孔時間明顯比CO2長。還是以3kW 光纖激光器和CO2激光器為例。對于厚度為8mm的碳鋼,后者比前者少1秒鐘;10mm時,后者少2秒;隨著厚度的增加,CO2激光器在穿孔方面的優勢愈 益顯著。以每天穿孔2000次、每次穿孔時間差3秒鐘計,則每天穿孔時間差為6000秒,約合1.7小時。CO2激光器因較高的穿孔效率,每天可縮減 1.7小時的機器使用時間。即使采用較保守的數據,計入人工(30元/小時)、設備折舊(25元/小時)和場地(2元/小時)費用,節省的成本有(CO2 激光器):1.7×(30+25+2+38.3)=162(元)

  切割速度

  切割速度、穿孔效率、斷面質量等方面構成激光切割效能,是評價激光器(機器)的綜合性指標。光纖激光器切割薄板有優勢,尤其是厚度3mm以下者,優勢明 顯,相對于CO2激光器,大切割速度比值可達4:1;而6mm是兩種激光器優勢互換的臨界厚度。切割厚度>6mm的板材,光纖激光無優勢;隨著厚度的增 加,CO2漸顯優勢,但并不顯著??偟恼f來,切割速度方面還是光纖激光器有優勢。

  斷面質量

  斷面質量通常指粗糙度(光潔度)、垂直度。切割3mm以下厚度的鋼板時,光纖激光切割的斷面質量(粗糙度和垂直度)略差于CO2。隨著厚度的增加,斷面質 量的差異愈益明顯。厚度≥3mm的不銹鋼,光纖激光切割的斷面呈磨砂狀,而CO2呈光亮狀。厚度為16mm的碳鋼,光纖激光切割斷面的垂直度遠差于 CO2,前者為0.4~0.5mm,后者可達0.1mm。

  另外,碳鋼板對光纖激光能量吸收率高,在切割小孔(孔徑≤板材厚度)時,反而是個缺點,切割質量較差。順便指出,激光切割的精度與采用何種激光器無關, 而與機器定位精度、重復定位精度、切縫寬度的一致性有關。光纖激光切割的切縫窄,CO2的切縫稍寬。但切縫的寬窄不影響零件的精度,因為通過割縫補償功 能,可以抵消切縫寬度。

  光纖激光器和CO2激光器究竟哪種好 有了以上數據,不難得出一個合乎邏輯的結論,從而作出理性的選擇。不能籠統地講是光纖激光器好,也不能籠統地講是CO2激光器好。應該基于特定的應用進行分析、判斷。

  我們看到,光纖激光器與CO2激光器在面對特定應用需求時各有其優勢和弱勢。目前和今后一段時期內,光纖激光器和CO2激光器不能互相替代,而只能共存互補。徑向偏振CO2激光器的技術進展值得注意,可能在薄板切割方面縮小與光纖激光器的差距。

 


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