文/Rouzbeh Sarrafi, Jason Jia, Jing Zhang, Marco Mendes

注：本文轉自LASER FOCUS WORLD, 

前言

超高功率光纖激光器能夠實現快速且高質量的厚板切割，包括使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 切割不鏽鋼，以及許多優(you) 於(yu) 其他切割方案的優(you) 勢。

在過去幾年，功率在10kW～40kW的超高功率（UHP）光纖激光器已快速應用於(yu) 切割市場，而且用於(yu) 切割應用的最高激光功率預計將持續提高。我們(men) 將展示該功率段內(nei) 的切割應用效果，並討論推動超高功率光纖激光器應用的主要因素：顯著的生產(chan) 率優(you) 勢、切割質量提升和切割極限厚度的能力（例如，本文中所示：在40kW的功率下切割230mm厚的不鏽鋼）。

本文中對於(yu) 超高功率激光器的功率定義(yi) 為(wei) 大於(yu) 10kW的激光器，它們(men) 使新的工藝方法能夠促進激光切割擴展到新市場（例如，使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) ，切割厚度高達50mm的不鏽鋼，切割速度比高功率等離子切割快4倍）。應用結果顯示：超高功率激光器正在改變切割不鏽鋼的方式——使用空氣切割工藝取代氮氣和氧氣切割工藝，以實現高品質、高速且經濟的切割。

圖1：自2016年起，切割設備中使用光纖激光器的最高功率增長情況

50多年前，激光切割技術問世。自此，激光切割進入技術高速發展的時期。20世紀70年代，推出了商用激光切割機，並且早期使用者將其用於(yu) 大規模生產(chan) ；20世紀80年代，二氧化碳（CO₂）激光切割設備得到了廣泛應用；到了20世紀90年代末和2000年代初，高功率光纖激光器被引入；2000年代末，千瓦級光纖激光切割機的發展使激光切割從(cong) 小規模應用轉變成為(wei) 主流製造工藝。光纖激光切割機在金屬板材激光切割市場中具有重要位置，這主要歸功於(yu) 光纖激光器易於(yu) 集成、可靠、低維護、相對較低的投資和運行成本、高切割產(chan) 量以及功率擴大可行性。

在21世紀10年代末和21世紀20年代初，激光切割市場的增長途徑有兩(liang) 個(ge) 方向：第一個(ge) 趨勢是覆蓋市場的低功率端，由於(yu) 設備資本成本降低，因此對1～3kW切割機的需求激增；第二個(ge) 趨勢是在高功率端市場，這也導致對超高功率激光器的需求不斷增加。

這是由於(yu) 超高功率激光器以高性價(jia) 比提供高生產(chan) 率和技術能力所推動的，而且激光切割領域經曆了一場革命性的“功率轉變”，這在同一時期的其他鈑金製造工藝中是前所未有的。從(cong) 加工製造展上我們(men) 可以看到，展出的切割機最高激光功率已從(cong) 2015年的6kW提升至2022年預期的40kW，增長了近7倍（請參見圖1）。僅(jin) 在過去三年中，激光設備的最高功率就從(cong) 15kW升至40kW，激增了2.5倍！

為(wei) 什麽(me) 現在是最佳時機？

在超高功率切割趨勢開始前幾年，就已經出現了可靠的高功率光纖激光器。早在2013年就出現了100kW的工業(ye) 光纖激光器[1]。但僅(jin) 在過去幾年，每千瓦激光器的價(jia) 格快速下降後，進入超高功率激光切割的門檻才降低，並且能夠在惡劣切割環境中承載如此高激光功率的切割頭也問世了。除此以外，能與(yu) 超高功率切割設備適配的切割數據庫也日漸完善。

切割測試

本次測試使用的是IPG 40kW的YLS-40000和IPG 30kW的YLS-30000-ECO2高電光轉換效率光纖激光器，配置了100 µm光纖芯徑和IPGCut-HP切割頭，以評估不同金屬的切割速度和質量。據目前的了解，40kW的激光功率，配置100 µm光纖芯徑是目前用於(yu) 工業(ye) 激光切割中，激光光源可提供的最高激光功率。我們(men) 之所以選擇直徑為(wei) 100 µm的光纖纖芯，是因為(wei) 與(yu) 直徑為(wei) 150 µm的光纖纖芯相比，其切割速度提高了10-25%。

更快切割速度

我們(men) 的實驗表明，對於(yu) 所有測試金屬（包括不鏽鋼、碳鋼和鋁），激光切割速度均隨平均功率（最高功率達40kW）的增加而提高。圖2顯示了使用空氣切割6～40 mm碳鋼，在12kW～40kW功率段之間，切割速度與(yu) 激光功率的增長情況。速度增長率隨金屬厚度的增加而增加。例如，切割12 mm厚的碳鋼，40kW切割速度是15kW的280%（功率是270%）；切割20 mm厚的碳鋼，40kW切割速度是15kW的420%；對於(yu) 30 mm碳鋼，功率從(cong) 30kW提高到40kW（功率增長了33%），切割速度提高了66%。由此可見，功率更高的超高功率激光器將會(hui) 進一步提高厚板切割的生產(chan) 效率。

圖2：碳鋼無渣空氣切割的切割速度與(yu) 功率示意圖

為(wei) 了利用超高功率激光器帶來的更快切割速度，來顯著縮短生產(chan) 周期，需要在高加速度下切割工件，尤其是較薄的工件。近年來，為(wei) 了適應更高的激光功率，激光切割機的最大加速度已從(cong) 1G轉變為(wei) 3G。在高端市場，超高功率激光切割機的加速度最高可達6G，並且其機械設計能夠保證切割軌跡不會(hui) 出現明顯的偏差。

降低單位部件的加工成本，實現快速的投資回報

相較於(yu) 較低功率，超高功率激光切割顯著降低了單位部件的加工成本，且帶來了快速的投資回報和更高的盈利能力。在激光切割中，加工成本主要來自氣體(ti) 消耗，而氣體(ti) 成本往往會(hui) 隨著部件厚度的增加而顯著增加。

超高功率激光切割需要使用與(yu) 低功率切割相同或更小的氣體(ti) 壓力和噴嘴尺寸。但超高功率激光器的切割速度更快，這減少了單位部件的切割時間，且大幅減少了氣體(ti) 消耗。例如，與(yu) 15kW的激光器相比，30kW的激光器可在一半的生產(chan) 周期中切割一個(ge) 典型的16 mm厚的不鏽鋼部件，這能夠減少一半的氣體(ti) 消耗。

激光器和水冷機的用電量通常與(yu) 激光功率呈線性增長關(guan) 係。盡管如此，切割機其他的用電量仍幾乎相同。因此，在先前案例中單位部件的生產(chan) 節拍快了一半，我們(men) 通過提高激光功率降低了每個(ge) 部件的總用電成本。隨著IPG技術的不斷發展，高功率光纖激光器的電光轉換效率超過50%，更有助於(yu) 節電[2]。

除了更快的切割速度，超高功率激光器還能夠節約氣體(ti) 的使用。與(yu) 使用更昂貴的氮氣或切割速度更慢的氧氣切割相比，超高功率激光器允許用高壓空氣快速、無渣地切割厚碳鋼。在氮氣和空氣切割中，超高功率允許降低無渣切割所需的氣壓。例如，用15kW激光器，無渣切割20 mm厚的碳鋼，需要使用大於(yu) 16 bar的氣壓，而用20kW或更高的功率時，10～12 bar已足夠。由於(yu) 氣體(ti) 使用情況與(yu) 壓力大致呈線性變化（在相同的噴嘴尺寸下），顯著減壓有助於(yu) 減少氣體(ti) 消耗並簡化氣體(ti) 發生設備的規格。

高功率激光切割設備的生產(chan) 效率是低功率激光切割設備的2倍，而設備的價(jia) 格並非其2倍。這是因為(wei) 每千瓦成本隨著激光功率的增加而降低。此外，較高功率激光器的成本被包含進了設備總成本中，呈邊際增長（相較於(yu) 較低功率的激光設備）。因此，超高功率激光切割機通過更高的激光功率能夠達到2倍的生產(chan) 效率，而設備成本僅(jin) 增加了30%～40%。

由於(yu) 生產(chan) 效率顯著提高，超高功率設備可取代多個(ge) 低功率設備，相應地可以減少占地麵積、減少操作員、更少的設施準備。另一方麵，為(wei) 了保證生產(chan) 效率，超高功率光纖激光切割機的對激光光源和切割頭的可靠性要求更高。也就是說，對於(yu) 光纖激光光源，需要長期穩定的功率輸出和光束質量，這會(hui) 受二極管、組件和光學集成的質量影響。至於(yu) 超高功率切割頭，需要承受高激光功率、高壓氣體(ti) 、灰塵、工藝熱量和高加速度，實現穩定可靠的加工。

切割不鏽鋼的新工藝方案

碳鋼可用氧氣、氮氣或空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 進行切割。圖3總結了使用每種輔助氣體(ti) 的優(you) 缺點。盡管由於(yu) 額外的氧化能，氧氣切割擅長用較低激光功率切割厚碳鋼，但由於(yu) 切割速度與(yu) 激光功率不成正比，因此會(hui) 降低生產(chan) 效率。相反，碳鋼空氣切割速度與(yu) 功率成正比（請參見圖2）。例如，對於(yu) 16 mm的碳鋼，功率在10kW～30kW之間，氧氣切割速度保持不變，約為(wei) 2 m/min，而功率在30kW時，空氣切割速度高於(yu) 9 m/min，這比氧氣切割速度快4.5倍。

圖3：氧氣、氮氣和空氣切割碳鋼的優(you) 缺點比較

1、取決(jue) 於(yu) 生產(chan) 規模

2、給空氣增壓並過濾濕氣和油的設備

3、氧氣切割使用低壓（通常為(wei) 5-20 psi）和小孔口噴嘴

4、氮氣切割使用高壓和大噴嘴

5、作為(wei) 切割氣體(ti) 資源的空氣沒有成本

6、氧化水平和氧化皮厚度

在較低功率和較低速度下僅(jin) 用氧氣切割的厚度，現在可使用超高功率激光器和空氣加工，其速度快幾倍且質量良好。對於(yu) 低功率激光，空氣切割會(hui) 導致難以去除的掛渣和不良的表麵質量。對於(yu) 諸如製造施工設備的行業(ye) 和重工業(ye) 這類厚板加工量巨大的行業(ye) 來說，這種創新高效的超高功率加工方案的開發非常受歡迎。

提高鈑金切割的厚度、產(chan) 量和質量

測試顯示，隨著超高功率激光器功率的增加，切割厚度能力也有所增加。例如，圖4顯示了在30kW下用氮氣切割70 mm厚的不鏽鋼，以及在40kW下用空氣切割230 mm厚的碳鋼，兩(liang) 者均在脈衝(chong) 切割模式下進行。

圖4：使用超高功率激光切割機，以脈衝(chong) 模式切割極厚的不鏽鋼：

（a）功率30kW，氮氣切割70 mm厚的不鏽鋼；

（b）功率40kW，空氣切割230 mm厚的碳鋼。

在連續波（CW）全速切割模式下，采用20kW無渣空氣切割20 mm厚的碳鋼、采用40kW無渣空氣切割30 mm厚的碳鋼、采用40kW無渣空氣切割40 mm厚的碳鋼（見圖2和圖5a）。對於(yu) 切割不鏽鋼，更容易實現無渣效果，所以極限切割厚度比碳鋼要厚（見圖5b和圖5c）。對於(yu) 連續氮氣和空氣切割，在任何給定的功率下，僅(jin) 能在一定厚度內(nei) 實現無渣切割和良好切割表麵。超過一定厚度，應使用脈衝(chong) 切割（速度比連續慢）來達到合格質量；否則，必須增加激光功率。通常，低於(yu) 2m/min的切割速度意味著在連續模式下，激光功率不足，難以達到最佳切割質量。

圖5 連續模式下的全速切割：（a）采用IPG 40kW YLS激光器以4.5m/min（177 ipm）的速度空氣切割28 mm厚的碳鋼；（b）采用IPG 40kW YLS激光器以2.3m/min（90 ipm）的速度空氣切割40 mm厚的不鏽鋼；（c）采用IPG 30kW YLS-ECO激光器氮氣切割3-25 mm厚的不鏽鋼型材；（d）采用15kW功率，氧氣切割30 mm厚的碳鋼。

對於(yu) 碳鋼氧氣切割，在滿足“切割麵光滑”的前提下，增加功率將會(hui) 增加極限切割厚度；例如，4kW極限切割厚度大約6～8 mm，而15kW極限切割厚度為(wei) 30 mm。圖5d顯示了用15kW切割的30 mm厚的碳鋼樣件。

穿孔更快、更清潔

通過在脈衝(chong) 模式下使用超高功率激光器的高峰值功率，可快速對厚金屬穿孔，產(chan) 生的飛濺少。16 mm不鏽鋼的穿孔時間從(cong) 6kW的>1秒，大幅縮短至10kW的0.5秒和20kW的0.1秒。在實際應用中，通常將≤0.1秒的穿孔視為(wei) “瞬時”。較高的峰值功率增加了熔池的深寬比，這使得能夠通過更少的橫向熔化來更快地橋接厚度。材料橫向熔化的減少同樣最大限度地減少了頂部表麵飛濺。

超高功率激光切割的競爭(zheng) 力

在過去六年，幾項技術發展助推了激光切割性能的提高，包括：1）通過選配多種準直或多芯光纖來決(jue) 定所需的聚焦光斑尺寸；2）能夠提高某些金屬的加工效率和質量的高速旋轉光束；3）用於(yu) 更快、更清潔的穿孔/複雜切割的高峰值功率連續激光器；4）超高功率激光器。

盡管各個(ge) 行業(ye) 的需求各不相同，且所有使能技術（使工藝能夠運行的技術）均在特定領域使用，但超高功率激光切割是推動激光切割性能提高的領先技術趨勢。這一點可以從(cong) 全球大量激光切割機采用超高功率激光器中得到驗證。隨著越來越多地接觸超高功率激光器，應用工程師們(men) 了解到，超高功率切割機的產(chan) 量和質量效益是多方麵的，其憑借較少的複雜性超過較低激光功率使能技術。

超高功率激光器在厚板切割中的切割厚度、質量和成本效益優(you) 勢顯著，特別是在15kW和更高的功率下，比高電流強度等離子切割機更具競爭(zheng) 力。對比測試顯示，對於(yu) 高達50 mm厚的不鏽鋼，20kW光纖激光器比高電流強度（300A）等離子切割機快1.5～2.5倍。對於(yu) 碳鋼，同樣顯示出切割高達15 mm厚的速度快兩(liang) 倍以上。計算表明，對於(yu) 15 mm厚的碳鋼，與(yu) 等離子相比，使用20kW激光器每米的總切割成本相對降低了大約2倍。由於(yu) 與(yu) 使用高功率等離子相比，使用40kW激光切割12～50 mm厚的不鏽鋼截麵的速度要快3～4倍，而使用40kW激光切割12～30 mm厚的低碳鋼截麵的速度要快3～5倍，因此生產(chan) 率的差異更大。

采用超高功率激光器

與(yu) 低功率激光器和其他切割工藝（例如等離子切割）相比，采用超高功率激光器進行切割的主要驅動力是更高的生產(chan) 率和由此產(chan) 生的每個(ge) 部件更低的切割成本。使用超高功率激光器帶來的速度增益為(wei) 製造商提供了規模經濟；例如，從(cong) 30kW到40kW功率增加了33%，促使切割速度提高了66%。

超高功率激光器能夠實現碳鋼的高質量、快速的空氣切割，這比速度較慢的氧氣切割和成本較高的氮氣切割更具優(you) 勢。在我們(men) 的測試中，采用40kW空氣切割高達50 mm厚的碳鋼，比用高功率等離子切割速度快3～4倍。

超高功率激光器使激光切割在許多其他方麵更具競爭(zheng) 力。例如，增加切割厚度和質量（可切割厚度高達230 mm的材料），減少或去除後續加工成本（能夠最大限度地減少掛渣），減少占地麵積和設施成本，降低對人工的要求，以及提高穿孔的質量和產(chan) 量。

隨著超高功率激光器的功率和能效不斷提高，這些優(you) 勢將變得更加明顯——提高其在不同行業(ye) 中快速、經濟地改變切割應用的能力。

參考文獻

1. E. A. Shcherbakov et al., “Industrial grade 100 kW power CW fiber laser,” Advanced Solid-State Lasers Congress (2013).

2. See https://bit.ly/3BwOdlS.