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David Larcombe 百超(Bystronic)英国分公司董事总经理 作为2.2至6千瓦CO2激光切割机及2至4千瓦的光纤激光器的生产商，位于英国考文垂的百超公司常常被问到这样的问题：这两种工艺各有哪些优势？分别适用于哪些应用？针对这一市场上普遍存在的疑惑，英国百超公司的董事总经理David Larcombe撰写了此文，旨在对上述两种工艺的优劣势进行阐释。 Larcombe表示：“在客户心中，这两种工艺难分伯仲。我们在位于英国的两个百超开放工厂内对CO2激光切割工艺和光纤激光切割工艺进行了比较、展示及现场测试，并以此作为重点议题，在客户群中引发了热烈的讨论。“ 在某次与客户进行讨论的过程中，Larcombe没有简单地强调理论，而是以用户三年来的实际体验为例进行分析，结果这一次仅仅在英国就一下售出了35台光纤激光切割机。 光纤激光器 简单地说，光纤激光器的原理就是通过二极管生成激光光束，然后以类似于数据传输的光纤光缆为介质，对光能进行引导和放大。放大后的激光光束在光纤光缆上经过准直或校直，最后通过光学透镜在需要切割的材料上聚焦。 与传统的CO2相比，光纤激光器的电光转换效率是原来的两倍；传输通过光纤光缆实现，不需要配备昂贵的光学透镜。而且与传统CO2激光器所不同的是，切割头上会直接自带聚焦镜，不需要用户额外配置耗材。 2010年，百超在英国首次推出了2千瓦光纤激光器，随后迅速升级为3千瓦及4千瓦。有趣的是，3千瓦激光器成为最受欢迎的模块，在英国售出机型中占60%。 这一点可以从性价比的角度得到解释。当输出功率更高，达到4千瓦时，光纤激光器的速度优势主要表现在切割厚度为6毫米至8毫米的中等厚度材料，如果非金属材料，厚度通常也可以略微增加。因此，4千瓦机型仅仅对那些需要大量切割厚度在6至8毫米的材料，或是希望用一台切割机就能应付所有可能的切割业务的客户而言更为有益。 光纤激光器的优势主要在于： 1. 不同于传统的CO2谐振腔或是盘式激光器，光纤激光器的激光光束在生成过程中无需移动配件或镜片组件，从而减少维护需求，降低运转成本。 2. 电光转换效率大幅提高，显著降低运转成本。一台3千瓦的光纤激光器，耗电量仅为平均输出功率为4千瓦的CO2激光器的三分之一。 3. 在切割较薄的片材时速度更快。光纤激光器在对厚度为1毫米的软钢、镀锌钢片或是不锈钢进行直线切割时，速度是4千瓦CO2激光器的三倍。厚度增加为2毫米时也比原来快一倍。 4. 可切割高反材料，无需担心背反射损坏机器。这使得光纤激光器可用于切割铜、黄铜及铝制材料。 5. 保养周期延长50%，维护成本降低50%。
CO2激光器 与CO2激光切割工艺相比，光纤激光工艺的不足主要在于切割厚度超过5毫米的加厚材料时速度差强人意，而CO2切割机不仅在直线切割时速度更快，而且在切割开始阶段冲孔所需的时间也短得多。此外，CO2工艺还有一个优势就是在切割加厚材料时，缝面更加平整。 在对那些采购光纤激光器和CO2激光器的百超英国用户进行统计后，我们总结如下： 1. 在采购光纤激光器的用户中，超过70%为分包商，剩下的一小部分才是代工工厂（OEMs）。这一点让人出乎意料，因为光纤激光器的优势和不足都非常明显，主要取决于所需加工的材料，所以我们通常认为OEMs应该会更倾向于选择光纤激光器。而对于分包商而言，他们无法预计下一项工作是什么，以及所需加工的材料的厚度，所以从理论上来说，CO2激光器的适用范围更广，应该更有优势。 2. 在分包商中，只有31%是将光纤激光器作为单一的激光器，剩下的69%都配备了多种激光器，这样用户就可以根据需要选择适合的机器。 3. 用户决定采购光纤激光器的主要原因是在切割较薄的片材（厚度为1至2毫米，不超过3毫米）时，切割速度更快。 4. 选择光纤激光工艺的另外一个重要原因是运转成本低，耗电少。这一点对于那些用电量居高不下的工厂而言特别重要。 客户体验——FC激光器公司 位于英国伊肯斯顿（Ilkeston）的分包商FC激光器的董事总经理Danny Fantom表示，百超曾建议其对现有的4.4千瓦CO2激光器进行升级，补充一台3千瓦光纤激光器（如图3所示）。尽管Fantom一开始对这种功率更低的配置持怀疑态度，但他最终还是采纳了百超的建议。 2个月后，Fantom惊喜地发现，光纤模块加CO2模块的新组合无论是在切割速度，还是在切割质量方面，均远远超过他的预期。Fantom说：“新组合的切割质量稳定可靠，完全不需要调整，而且在大多数情况下，运转速度比原来快一倍。” 光纤模块加CO2模块的新配置能够帮助分包商确保加工质量及交货时间，另外还有助于拓展铜、黄铜等新业务领域。 客户体验——Brattonsound工程公司 位于英国萨顿的Brattonsound工程公司用一台2千瓦的光纤激光切割机替换了已经使用3年的2.2千瓦CO2激光切割机。Brattonsound的主要业务是切割燃气取暖器和保险箱所用的厚度不超过2毫米的薄板。 新机器在实际生产中的性能 表现远远超过预期。有时切割速度甚至可以达到原来的三倍，平均值也能达到2倍。切缝质量与原来相当，但整体切割速度更快，质量也更均一。 正如所预料的那样，新机器的运转成本也较之前有所下降。因为光纤激光器为固态激光器，电光转换效率更高，负载从原来的37千瓦降至16千瓦，仅为原来的一半略多。此外，新机器的切割速度是原来的两倍。综合考虑由此节约的电耗和切割气体，每个工件的运转成本可降低三分之二。 Brattonsound工程公司的GeraldTag表示，他们所遇到的唯一问题就是在更换机器之前，操作人员可以利用两个切割作业之间的时间组装零件，但是启用新机器后这样根本来不及。一旦材料上机，就会被立即切割，甚至等不到上一个零件拆卸下来。 客户体验——ICEE管理服务公司 位于英国滑铁卢维尔（Waterlooville）的ICEE管理服务公司生产厂是金属制造、包封产品及激光成型行业的领导者。2011年夏天，公司用体积相似的2千瓦光纤激光器取代了原来的CO2激光器。ICEE工程项目经理ChrisArnold解释道：“ICEE在为一个长期客户制造电气外罩，一直要用到原来那台2千瓦CO2激光器切割材料。” 完成该客户的一个完整订单，需要超过38小时，这样就要占用机器整整一周时间，而且期间设置不能改动。在第一次使用光纤激光器时，操作人员竟然在周一就询问生产经理下一步工作计划是什么，因为过去要耗时一周才能完成的工作这次只用了6小时！ 这绝非偶然。在另外一个切割260孔2.6毫米铜板的项目中，每组切割时间仅为55秒！用Arnold的话说：“新机器简直太快了！“ 客户体验——WEC集团 2013年1月，WEC集团在位于英国兰开夏郡的Darwen工厂内安装了一台光纤激光电脑数控仿形机（如图4所示）。结果表明，在加工厚度介于1.5到4毫米的不锈钢板时，生产成本显著降低。激光工艺部门总经理助理Gareth Taylor称，某些材料的切割速度比原来快一倍。 不仅如此，新的光纤激光器用1.5米就能达到原来3米放电管的功率，可切割高反材料及热导材料，比如说铜、黄铜等，而这是之前CO2激光器所无法做到的。由于这些材料的背反射很容易损坏CO2激光器的光学元件，所以光纤激光器还帮助WEC拓展了这项新的业务领域。在铝材加工时，即使是很少量的回火，也会造成CO2激光器的透镜及镜片元件的损坏，但使用了光纤激光器后，只要铝材的厚度在合理的范围内，切割就不成问题。新机器甚至还能切割20毫米厚的软钢。此外光纤激光器还有一个好处就是不需要使用昂贵的激光气体，耗电量也更低，有助于企业降低运转成本，提高经济效益。 由于WEC所处的地理位置在英格兰西北部，那里是欧洲最大的航空航天产业集结地，因此WEC一直希望能够拓展航空配件这一新的业务领域。现在WEC已经是非飞行配件的供应商，并且正在进行航空航天行业专用的AS9100质量管理体系认证。用百超光纤激光器进行切割作业，切缝质量高，热影响区小，这对于WEC拓展航空航天业务极为重要。 WEC还经常遇到切割较薄的不锈钢片材的业务，这也成为公司最终决定采购光纤激光器的主要原因。在激光切割行业累积了20余年经验的Taylor说：“在加工厚度在1.5至4毫米的材料时，光纤激光器可显著降低运转成本。” Taylor表示，光纤激光器切割不锈钢片材时速度快一倍。机器24小时不间断运转，70%的时间用于切割不锈钢，而不锈钢是一种能够充分发挥光纤激光器优势的材料，所以很快就看到了回报。在另外30%的时间里，机器还可以用于切割高反材料，这是以前难以想象的。新的光纤激光器能够帮助分包商拓展这一原来无法企及的业务领域。 3千瓦光纤激光器结构紧凑，约为10X6米，切割区域面积为3048 x 1524毫米，最大的同步定位速度为140米/分钟，轴加速度可达12米/秒2。WEC所采购的模块还包括一个用于小部件传输的传送单元，以便从机器下方将小部件从工作区域传送至装载区域后方。 结论：光纤激光工艺VS. CO2激光工艺 根据目前百超的统计结果，倾向于选用新型光纤激光器的用户大部分是分包商，他们可能是擅长切割薄板的企业，比如零售终端的钣金件或是白色家电，也可能是那些已配备了CO2激光设备的企业，希望通过增加光纤激光器，对现有板材切割能力进行扩充。 |
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