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光纤激光器与CO2激光器对比

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经常被问及:对于工业加工,光纤激光器和CO2激光器哪种好?更具体一点,则是:这两种激光器到底有何长处和短处?光纤激光器可以替代O2激光器吗?

看似简单的此问题,要说清楚未必是易事。

我们试从多方面、多角度为用户提供完备的信息和持平的意见,以期收到释疑解惑之效。

光纤激光器产生的激光(后文简称为光纤激光)的波长为1.06μm,CO2激光器产生的激光(后文简称为CO2激光)波长为10.6μm,均是红外光,可被材料吸收,而应用于工业材料加工。

 

切割是目前应用最广泛的激光工业加工技术。为方便起见,本文展开的讨论均基于激光切割,除非另作特别说明。

两种激光器的长短优劣

作为用户,先得了解光纤激光器和CO2激光器各自的死穴。所谓死穴,就是切割加工的盲区。避开了死穴(盲区)后,再争短竞长,选定适合需要的那一款。

光纤激光器的死穴

光纤激光不能切割非金属,包括木材、塑料、皮革、棉麻织物等。如果需要加工的工件材料恰是非金属,那么光纤激光器只能落选,而非CO2激光器莫属。

汽车内饰件大多为非金属材料,采用高精度机器人+CO2激光器的加工系统,对其空间曲面进行切割,这样的加工系统需解决激光束在机器人各关节间的传输难题。

光纤激光也不能切割表面有覆盖层的材料,如普通覆膜不锈钢、有防锈涂料的特种钢板等。有用户对此注意不够,而选择光纤激光器,不得不将普通覆膜的不锈钢外发切割加工。如要采用光纤激光专用覆膜,则成本升高。

CO2激光器的死穴

CO2激光不能切割铜材,包括黄铜、紫铜。如果需要切割铜材,只有光纤激光器够格。

对于CO2激光来说,铜材属于高反射性材料,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。

CO2激光对铝合金的反射率也较高。安装背反射隔离器,可有效保护CO2激光器,从而可安全切割铝合金。

我们且从使用成本、切割速度、穿孔效率、断面质量等方面,让两种激光器来争短竞长。

使用成本

这里,为方便对比两种激光器的成本差别,仅计算电力、耗材、介质气体三部分构成的成本,这三部分的成本,两者是不同的;人力、折旧、场地、切割气体等,对于两种激光器来说,成本相同,故不计算。

两种激光器均需耗费巨量电力。光纤激光器电-光转换效率约30%,CO2激光器约10%。以3000W激光器而论,光纤激光器耗电约10kW电力,而CO2激光器耗电约30kW。以电价1元/度、占载率70%计,则成本分别为7元/小时、21元/小时。

另外,由于效率不同,所以,两种激光器所产生的热量不同,需要的水冷机的规格(制冷量)也不同。光纤激光器需要的水冷机的耗电量为13kW,CO2激光器需要的水冷机的耗电量为18kW。以电价1元/度、占载率70%计,则成本分别为9元/小时、12.8元/小时。

在日常使用过程中,采用光纤激光器的切割机(后文简称光纤切割机)需耗费的材料有:聚焦镜、陶瓷体、喷嘴、保护镜等,成本约3元/小时。

另外,据4年来的统计,激光模块和扩束镜有其使用寿命,从而分别产生约4元/小时、1元/小时的成本(特别说明,ROFIN光纤激光器需更换的最小单元是半导体模组,成本约1元/小时)。

采用CO2激光器的切割机(后文简称CO2切割机)需耗费的材料有:聚焦镜、陶瓷体、喷嘴、反射镜等,成本约2.5元/小时。
光纤激光器无需介质气体;CO2激光器需使用介质气体才能产生激光,成本约1元/小时。

另外,CO2激光器每3000小时进行常规点检,每6000小时进行深度点检,发生约2元/小时的成本。

综上,光纤激光器使用成本约24元/小时,CO2激光器则约为38.3元/小时,相差14.3元/小时。按每天使用10小时计,则每天成本差为143元。

市场上关于两种激光器的使用成本的差别的说法,有些夸大。

附带提一下,光纤激光的传输介质为光纤,光束封闭于光纤内,“曲线传播”,不受外界环境影响。CO2激光传输介质为空气,直线传播,靠反射镜改变传输方向,易受外界环境影响,可能需要对这些反射镜进行维护,从而稍稍增加使用成本。

切割速度

切割速度、穿孔效率、断面质量等方面构成激光切割效能,是评价激光器(机器)的综合性指标。

光纤激光器切割薄板有优势,尤其是厚度3mm以下者,优势明显,相对于CO2激光器,最大切割速度比值可达4:1;而6mm是两种激光器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渐显优势,但并不显著。

总的说来,切割速度方面还是光纤激光器有优势。

穿孔效率

激光束对工件开始切割前,需穿透工件。光纤激光的穿孔时间明显比CO2长。

还是以3kW 光纤激光器和CO2激光器为例。对于厚度为8mm的碳钢,后者比前者少1秒钟;10mm时,后者少2秒;随着厚度的增加,CO2激光器在穿孔方面的优势愈益显著。

以每天穿孔2000次、每次穿孔时间差3秒钟计,则每天穿孔时间差为6000秒,约合1.7小时。

CO2激光器因较高的穿孔效率,每天可缩减1.7小时的机器使用时间。即使采用较保守的数据,计入人工(30元/小时)、设备折旧(25元/小时)和场地(2元/小时)费用,节省的成本有(CO2激光器):
1.7×(30+25+2+38.3)=162(元)

断面质量

断面质量通常指粗糙度(光洁度)、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(粗糙度和垂直度)
略差于CO2。随着厚度的增加,断面质量的差异愈益明显。

厚度≥3mm的不锈钢,光纤激光切割的断面呈磨砂状,而CO2呈光亮状。

厚度为16mm的碳钢,光纤激光切割断面的垂直度远差于CO2,前者为0.4~0.5mm,后者可达0.1mm。

另外,碳钢板对光纤激光能量吸收率高,在切割小孔(孔径≤板材厚度)时,反而是个缺点,切割质量较差。

顺便指出,激光切割的精度与采用何种激光器无关,而与机器定位精度、重复定位精度、切缝宽度的一致性有关。光纤激光切割的切缝窄,CO2的切缝稍宽。但切缝的宽窄不影响零件的精度,因为通过割缝补偿功能,可以抵消切缝宽度。

光纤激光器和CO2激光器究竟哪种好?

有了以上数据,不难得出一个合乎逻辑的结论,从而作出理性的选择。不能笼统地讲是光纤激光器好,也不能笼统地讲是CO2激光器好。应该基于特定的应用进行分析、判断。

 

我们看到,光纤激光器与CO2激光器在面对特定应用需求时各有其优势和弱势。目前和今后一段时期内,光纤激光器和CO2激光器不能互相替代,而只能共存互补。径向偏振CO2激光器的技术进展值得注意,可能在薄板切割方面缩小与光纤激光器的差距。

(注:本文来源互联网,由创轩激光整理发布,转载请注明出处:http://www.chanxan.com

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