CO2激光与光纤激光切割工艺及成本分析

CO2激光与光纤激光切割工艺及成本分析

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%，如图1所示。

                                                                                                                   图1   CO2激光

1.激光发生器   2.驱动单元反射镜   3.光路  4、5、6.角度反射镜   7.聚焦透镜

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，如图2所示。

1.激光源   2.谐振腔   3.冷却系统   4.光路

（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优势，尤其是厚度3mm以下优势更明显，相对于CO2激光，最大切割速度比值可大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激光渐显优势，但并不明显。图3为不同材料的切割速度。

                                                                                                          （a）中碳钢                                   （b）不锈钢

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。CO2激光与光纤激光切割工艺比对如表1所示。

3. CO2激光切割与光纤激光切割成本分析

以切割5mm不锈钢板为例，CO2激光与光纤激光切割工艺成本分析如表2所示。

                                                               

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。