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目前用于切割领域的激光主要为CO2激光和光纤激光

2021-01-15

        1. 概述
        目前用于切割领域的激光主要为CO2激光和光纤激光.CO2激光是CO2气体在高频高压下受激发,产生频率为10.6μm的激光,经过谐振腔的偏振镜后沿铜镜反射聚焦而进行切割的.光纤激光是采用多个多模泵浦二极管并行设置作为激光源,产生频率为10.6μm的激光,通过分支在谐振腔调整后耦合进单根光纤,形成功率较高的激光.

        2. CO2激光切割与光纤激光切割工艺比较
        (1)激光结构对比  CO2激光发生器体积较大,传输介质为空气,光路直线传播完全依靠反射镜,光路衰减快、要求高,能量损失较大,光电转化率低,仅为10%.
        光纤激光采用多组多模泵浦二极管并行设置为激光源,产生的激光由光纤传输,光束封闭于光纤内"曲线传播",不受外界环境影响,光电转化率高,可达25%以上.
        (2)切割材料对比  CO2激光可切割碳钢、不锈钢、铝合金及非金属材料,但不能切割铜材.对于CO2激光来说,铜材属于高反射性材料,10.6μm频率激光几乎全部被反射而不被吸收,反射光返回激光器,造成危害.
        光纤激光可切割碳钢、不锈钢、铝合金及铜材,但不能切割非金属材料,包括木材、塑料、皮革等.对于表面有覆盖层的材料也不能切割,如普通覆膜不锈钢、有防锈的特种钢板等.
        (3)切割效能对比  切割速度、穿孔效率、断面质量等方面构成激光切割效能,是评价激光机器的关键综合指标.
        光纤激光器切割薄板有一定的优势,尤其是在厚度3mm以下优势会更明显,相对于CO2激光,最大切割速度比值可达到4:1;而6mm是两种激光优势互换的临界厚度.切割厚度>6mm的板材,光纤激光无优势.随着厚度的增加,CO2激光就渐显优势,但并不是太明显.
        激光束在工件开始切割前,需要穿透工件.光纤激光的穿孔时间明显要比CO2激光长.以3kW光纤激光和CO2激光为例,对于8mm的碳钢,后者比前者少1s;10mm时,后者少2s;随着厚度的增加,CO2激光在穿孔2000次、每次穿孔差3s计算,则每天穿孔时间差为6000s,约合1.7h.
        断面质量通常指粗糙度、垂直度.切割3mm以下厚度的钢板时,光纤激光切割的断面质量略差于CO2激光.随着厚度的增加,断面质量的差异越加明显.切割3mm及以上的不锈钢时,光纤激光切割的断面呈磨砂状,而CO2激光呈光亮.切割16mm的碳钢,光纤激光切割断面垂直度远差于CO2激光,前者为0.4~0.5mm,后者为0.1mm.另外,由于光纤激光频率低,能量密度大,在切割碳钢小孔时,反而是个缺点,易产生过烧.
 
        3. CO2激光切割与光纤激光切割成本分析
        根据上表中的数据分析,按设备年时基数3860h计算,在切割5mm不锈钢时,CO2激光切割机的运行成本为每小时268.8元,光纤激光切割机运行成本为每小时242.7元.CO2激光和光纤激光切割速度分别按每分钟2.5m、8.2m计算,CO2激光切割成本为每米1.79元,光纤激光切割成本为每米0.48元.
 
        4. 综合比较及建议
        CO2激光切割和光纤激光切割都有其适用的领域.CO2激光切割除可用于切割碳钢、不锈钢、铝合金等材料外,还可以切割半导体材料、非金属材料和复合材料,其切割应用范围更广.光纤激光切割除可用于切割碳钢、不锈钢、铝合金等材料外,还可以切割CO2激光无法切割的铜材,但不能切割非金属材料.就切割成本而言,光纤激光切割机相对于CO2激光切割机来说要便宜得多.
        综上所述,CO2激光切割与光纤激光切割的工艺选择问题上建议如下:
        (1)对于4mm及以下的材料,考虑到光纤激光切割速度快、效率高的优点,选用光纤激光切割综合性价比更高.
        (2)对于8mm及以上的材料,考虑到光纤激光打孔效率低、断面质量较差,且切割速度不在具有明显优势,选用CO2激光切割更容易保证产品质量.
        (3)对于铜材或镜面不锈钢,建议选用光纤激光切割机,对于半导体材料、非金属材料和复合材料,建议选用CO2激光切割机.
  

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