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CO2激光機與光纖激光機應用及區別
發表時間:2016-04-14     閱讀次數:     字體:【

目前,在鈑金加工行業內主要的金屬鈑金切割激光加工機有2種,一種是大約20年前從工業激光改造成產品的CO2激光加工機,另一種是大概5年前正式從工業激光改造成產品的光纖激光加工機。從近幾年中國鈑金設備市場中激光加工光機的銷售臺數來看,CO2激光加工機占40%而光纖激光加工機占到60%。我們知道,近年來光纖激光加工機的勢頭猛烈,正在不斷地被市場認可,銷售臺數正逐步擴大。

CO2激光和光纖激光的基本區別雖然現在的市場趨勢是偏向光纖激光加工機,但是光纖激光加工機真的是最好的選擇嗎?答案是否定的CO2激光和光纖激光,兩者因激光的物理特征不同,所以激光加工的工藝也不同。當然實際上兩者有各自的長處和短處,根據加工對象的不同,各自有優勢也有劣勢。

CO2激光是通過激發二氧化碳分子而得到的氣體光束,它的波長是10.6μm;而光纖激光是在光纖中放入一種作為媒介的Yb(ytterbium)化合物的結晶,將這個結晶體用光束照射后得到的固體激光,它的波長是1.08μm。波長不同這一物理特點對兩者的加工特性帶來很大的影響。最初光纖激光這一概念是由于它是通過光纖能夠傳播的激光被人認識的。能夠通過光纖進行傳播的原因在于它的波長,正因為它1.08μm的波長,才能夠通過光纖進行傳播。用光纖進行傳播的優勢就是它的光學部品的使用壽命較長以及維護性能較高。

CO2激光加工機從發振器到加工點,是借助反射鏡傳播激光的,一般是在與外界空氣隔離的光路內進行傳播。光路內雖然被沒有普通灰塵或異物的空氣所填滿,但是反射鏡的表面經過長時間使用以后,也會被臟東西附著,需要進行清掃。另外,反射鏡本身也會因吸收微量的激光能源而損耗,需要進行更換。再加上要從發振器到加工點傳播激光,需要用多個反射鏡來調整激光的反射角度進行傳播,所以要維持正常的運行需要一定的技術能力和管理。但是,光纖激光加工機從發振器到加工點,激光是經由1根光纖來傳播的。這根光纖一般被叫做導光光纖。由于不需要像反射鏡那樣的光學部品,又是在與外界空氣隔離的導光光纖內傳播激光的,所以激光幾乎不會被損耗,可是嚴格說來,激光在導光光纖的外圍進行反復傳播,所以導光光纖自己本身多少會有所損耗,不過這個和CO2激光加工機中的反射鏡相比,使用壽命要長好幾倍。

另外,如果傳播路徑是在導光光纖的最小曲率以上的話,那么就能夠自由決定路徑,所以調整和維持起來也非常方便。在激光的生成過程(激光發振器構造)中,兩者也有所不同。CO2激光發振器是將混有CO2的氣體放置在放電空間之后,生成激光的。為了確保從激光輸出功率而得出的共振長正常運作,在發振器的內部配置了光學部品,而且發振器內部的光學部品需要進行定期的清掃和更換。光纖激光發振器,就像剛才所提到的,生成激光是在光纖內部進行的,而且與外界空氣相隔離,沒有光學部品,所以就幾乎沒有必要定期維護。CO2激光發振器的清掃等維護周期是設定在大約4000個小時,而光纖激光發振器是設定在大約20000個小時。

前面所提到的在使用壽命和維護性能等方面,可以說對于光纖激光加工機來說有很大的優勢。另外,我們也可以試著從消耗電力之類的運營成本角度也來進行比較。CO2激光發振器的光電轉換率據說大概在10~15%,而光纖激光發振器大概在35~40%。由于光電轉換率高,所以轉變成發散熱量的電氣能源變少,光纖激光加工機才能夠將冷卻機之類的冷卻裝置所消耗的電力控制得更低。一般來說,光纖激光加工機的發振器,對于發振器的冷卻溫度管理相對于CO2發振器來說精度要求更高,但是,同樣的激光輸出功率下,光纖激光加工機的發振器用CO2激光發振器的1/2~2/3左右的冷卻能力就足夠了。所以從激光加工機所有裝置的消耗電力來考慮,光纖激光加工機在CO2激光加工機的1/3左右的消耗電力下就能夠運行,可以說是非常節能的激光加工機

激光的輸出功率都是4kW。我們可以看到在板厚4.0mm以下的領域中,光纖激光加工機能夠以CO2激光加工機的2~3倍的加工速度進行加工。為什么即使在同樣的輸出功率下,加工速度方面會有這么大的差距?首先可以說是因為激光能源對金屬材料的吸收率這一部分存在著很大的差異。不僅僅是金屬材料,世間萬物中,由于物質的物理特性不同,在不同的光的波長下,光能的吸收率也不同。例如上述所舉的不銹鋼材料,它對CO2激光的吸收率大約是12%,而對光纖激光的吸收率是大概35%,相差3倍左右。所謂的吸收率高,是指激光在照射到金屬材料之后,光能轉換成熱能后熔化金屬材料這一步驟的時間非常短,所以也就能夠以很快的加工速度形成切割加工工藝。如果要用激光加工機對石英玻璃進行切割加工的話,那么用CO2激光加工機是可以進行切割加工的,但是用光纖激光加工機卻不能進行切割加工。這個是由于石英玻璃可吸收CO2激光的波長,而對光纖激光的波長不吸收反而會穿透這一物理原理引起的。另外,平時我們所說的光纖激光在鋁、銅等高反射性材料的切割領域中,比CO2激光加工機更加有優勢,也是因為金屬材料更能吸收光纖激光的波長這一物理特性的原理。在比較不銹鋼材料的加工速度時,我們可以看到在板厚超過6.0mm的領域內,兩者的加工速度是基本相同的。從切割加工的工藝來看,與其參考瞬間熔化金屬的系數,還不如參考如何將熔化的金屬更高效排除的系數更為重要。用激光進行切割加工時,要一邊將輔助氣體(普遍是指氮氣、氧氣等)噴射至加工點一邊將激光照射至材料,這樣才能得到良好的加工狀態。不同的切割對象的材料,采用的輔助氣體也不同。另外,輔助氣體的另一大作用是將熔化后的金屬從材料的下方隔離出來。在加工對象是厚板的情況下,要得到良好的切割狀態,需要輔助氣體發揮作用,把要熔化的金屬從材料的下面部分下方隔離出來,最終可以達到提高加工速度的效果。但是,從加工領域和切割品質的角度來看,可以說CO2激光加工機更勝一籌。CO2激光加工機在行業內自實用化以來大概經歷了30年的歷程,它的加工工藝中很多的特性已經被大家研究透徹,所以已經能夠對應從薄板到厚板的加工領域。另外,加工技術也已經非常成熟,可以保證一定的加工品質,不僅僅具備了切割各種形狀的加工技術,同時還具備了能夠確保切割面達到一定粗糙度之類的加工技術。

 
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