CO2激光器用于金属切割和焊接领域已有几十年,但由于轴流式CO2激光器占用空间较大,操作成本较高,限制了其更广泛的应用。与轴流式激光器相比,较低功率的板条放电封离型CO2激光器结构紧凑、性能可靠、经济性更好。
相干公司最近推出了一种新型METABEAM系统,基于1kW的Diamond CO2激光器,所能达到的切割速度可与2kW量级的轴流式激光器相比。
METABEAM 1000系统使基于激光器的金属切割操作更方便,帮助它们扩展了市场,对那些小规模经营和作业的车间极具吸引力。下面我们会比较两种类型激光器切割常用金属的情况,并总结板条放电封离型CO2激光器购置成本的优势。
切割特点
板条放电谐振腔设计以及适当的光束调制光路,能产生优质的高斯输出光束,其M2值较小(<1.2),所以能获得较小的焦斑,几乎将全部激光能量集中在光束中央。板条放电设计能自然地产生接近方波形状的脉冲,上升和下降时间极短。
由于卓越的光束质量和高峰值功率的方波脉冲,所获得的切割特性,能够使板条放电封离型激光器与更高功率的轴流式激光器相抗衡。特别是Diamond E-1000(1kW)所能实现的薄金属切割速度,一般相当于使用2kW轴流式激光器所达到的切割速度——因为激光功率是通过可控而且受限的方式来输出,而非只用“蛮力”,所以使切割薄金属更加有效。
图1显示了以氧气作为辅助气体时,采用相干Diamond E-1000(1kW)和2kW轴流式激光器切割冷轧钢的速度。事实上,相比较轴流式2kW激光器, 1kW板条放电封离型激光器在切割各种厚度的材料(厚度可达0.25英寸)时,能够达到等同的(实际上稍高的)切割速度。
以氮气为辅助气体切割不锈钢时,1kW Diamond激光器仍然能够媲美2kW轴流式激光器的切割速度(图2)。切割冷轧钢与不锈钢的结果之间存在着差异,主要原因是使用了不同的辅助气体。以氧气为辅助气体时,产生放热反应,释放额外热量,进一步促进切割。而以氧气辅助切割时,会产生更大的微粒,可以方便地从激光加工区域吹走。
上述两种效应都有利于Diamond激光器,其较小的高峰值功率焦斑能够在聚焦区域产生非常高的能量密度。相反,氮气用作辅助气体时,不发生反应,还能冷却加工区域。因此,同等的初始功率的应用更有价值。
图3显示了两种激光器切割铝的结果。1kW的Diamond激光器在切割最高厚度约0.07英寸的材料时,切割速度更高。再次说明,切割更薄的材料时能量高度集中于局部,而切割更厚的材料就需要更大的能量。
购置成本
与轴流式激光器相比,板条放电封离型CO2激光器性能卓越,还具有三个主要方面的购置成本优势,分别是用电、用气和成本维护。
轴流式激光器使用的泵、风机和热交换器,需要耗费大量的电力。另外,轴流式激光器的效率相对较低,要求的预热时间较长。板条放电封离结构不使用泵,没有与之相关的用电成本。同时,光电效率也比快速轴流式激光器高50%左右,节约了相应的用电成本。此外,板条放电封离型激光器不需要预热,能够在需要时随时出光,节约时间和额外的能源。
泵的油蒸汽被带入激光器气体,所以轴流式激光器需要持续补充气体。通过真空泵慢慢清除等量的废气,同时必须将新的预混合气体输进系统内。另外,涡轮油本身会最终沉积在激光光路上,必须定期清除和清洁,最终需要更换。
全封离谐振腔消除了所有这些问题。特别是在设备的40000小时使用寿命期间,气体自身能够保持纯净,消除了与换气、处理、储存和供给相关的成本,以及更换储气罐的停机时间;同时不需要与泵相关的维护和消耗品。而轴流式激光器需要频繁维护和换油。甚至谐振腔的冷却水也是通过闭环系统循环使用。
板条放电封离型结构还使激光器实现了机械稳定性,功率与尺寸比、功率与重量比都较高的特点。例如,相干Diamond E-1000是一款1kW激光器,但是包括射频元件的激光头尺寸只有1497 x 384 x 471毫米,重量仅173千克。由于尺寸紧凑,集成这些激光器更方便,降低了系统的整体价格,同时占用空间更小。
结束语:
占用空间更小、碳排放影响更小的激光切割系统,对切割应用的益处更大。非金属和极薄金属切割的应用,长期得益于这些系统,主要是因为板条放电封离型激光器尺寸小、电气效率高以及切割效率高。这些激光器的功率已经提高至千瓦级功率水平,也可用于切割更厚的金属板(厚至3毫米)。