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目前用于切割領域的激光主要為CO2激光和光纖激光
2021-01-15
1. 概述
目前用于切割領域的激光主要為CO2激光和光纖激光.CO2激光是CO2氣體在高頻高壓下受激發,產生頻率為10.6μm的激光,經過諧振腔的偏振鏡后沿銅鏡反射聚焦而進行切割的.光纖激光是采用多個多模泵浦二極管并行設置作為激光源,產生頻率為10.6μm的激光,通過分支在諧振腔調整后耦合進單根光纖,形成功率較高的激光.
2. CO2激光切割與光纖激光切割工藝比較
(1)激光結構對比 CO2激光發生器體積較大,傳輸介質為空氣,光路直線傳播完全依靠反射鏡,光路衰減快、要求高,能量損失較大,光電轉化率低,僅為10%.
光纖激光采用多組多模泵浦二極管并行設置為激光源,產生的激光由光纖傳輸,光束封閉于光纖內"曲線傳播",不受外界環境影響,光電轉化率高,可達25%以上.
(2)切割材料對比 CO2激光可切割碳鋼、不銹鋼、鋁合金及非金屬材料,但不能切割銅材.對于CO2激光來說,銅材屬于高反射性材料,10.6μm頻率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.
光纖激光可切割碳鋼、不銹鋼、鋁合金及銅材,但不能切割非金屬材料,包括木材、塑料、皮革等.對于表面有覆蓋層的材料也不能切割,如普通覆膜不銹鋼、有防銹的特種鋼板等.
(3)切割效能對比 切割速度、穿孔效率、斷面質量等方面構成激光切割效能,是評價激光機器的關鍵綜合指標.
光纖激光器切割薄板有一定的優勢,尤其是在厚度3mm以下優勢會更明顯,相對于CO2激光,最大切割速度比值可達到4:1;而6mm是兩種激光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激光就漸顯優勢,但并不是太明顯.
激光束在工件開始切割前,需要穿透工件.光纖激光的穿孔時間明顯要比CO2激光長.以3kW光纖激光和CO2激光為例,對于8mm的碳鋼,后者比前者少1s;10mm時,后者少2s;隨著厚度的增加,CO2激光在穿孔2000次、每次穿孔差3s計算,則每天穿孔時間差為6000s,約合1.7h.
斷面質量通常指粗糙度、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略差于CO2激光.隨著厚度的增加,斷面質量的差異越加明顯.切割3mm及以上的不銹鋼時,光纖激光切割的斷面呈磨砂狀,而CO2激光呈光亮.切割16mm的碳鋼,光纖激光切割斷面垂直度遠差于CO2激光,前者為0.4~0.5mm,后者為0.1mm.另外,由于光纖激光頻率低,能量密度大,在切割碳鋼小孔時,反而是個缺點,易產生過燒.
3. CO2激光切割與光纖激光切割成本分析
根據上表中的數據分析,按設備年時基數3860h計算,在切割5mm不銹鋼時,CO2激光切割機的運行成本為每小時268.8元,光纖激光切割機運行成本為每小時242.7元.CO2激光和光纖激光切割速度分別按每分鐘2.5m、8.2m計算,CO2激光切割成本為每米1.79元,光纖激光切割成本為每米0.48元.
4. 綜合比較及建議
CO2激光切割和光纖激光切割都有其適用的領域.CO2激光切割除可用于切割碳鋼、不銹鋼、鋁合金等材料外,還可以切割半導體材料、非金屬材料和復合材料,其切割應用范圍更廣.光纖激光切割除可用于切割碳鋼、不銹鋼、鋁合金等材料外,還可以切割CO2激光無法切割的銅材,但不能切割非金屬材料.就切割成本而言,光纖激光切割機相對于CO2激光切割機來說要便宜得多.
綜上所述,CO2激光切割與光纖激光切割的工藝選擇問題上建議如下:
(1)對于4mm及以下的材料,考慮到光纖激光切割速度快、效率高的優點,選用光纖激光切割綜合性價比更高.
(2)對于8mm及以上的材料,考慮到光纖激光打孔效率低、斷面質量較差,且切割速度不在具有明顯優勢,選用CO2激光切割更容易保證產品質量.
(3)對于銅材或鏡面不銹鋼,建議選用光纖激光切割機,對于半導體材料、非金屬材料和復合材料,建議選用CO2激光切割機.
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