1960年第一臺激光器誕生后，人們便不斷探索激光在加工領域中的應用，1967年世界首臺CO2激光切割機問世。激光切割是將能量聚焦到微小的空間，利用高密度的能量進行非接觸、高精度、高質(zhì)量、高效率的切割方法。在過去的數(shù)十年里，激光切割系統(tǒng)的輸出功率和光束質(zhì)量得到了大幅提升，現(xiàn)如今已成為一項成熟可靠的技術，占據(jù)材料激光加工市場70%以上，在汽車、船舶、工程機械等工業(yè)領域備受青睞。
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對于特定的激光切割應用，制造商在選擇激光切割設備系統(tǒng)時越來越注重經(jīng)濟指標，使其生產(chǎn)線能實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量、高可重復性加工，從而降低成本。目前在切割領域占主導地位的是CO2激光，隨著光纖激光器的技術成熟和飛速發(fā)展，其所具有的切割速度快、能量集中、電光轉(zhuǎn)化率高、加工柔性等眾多優(yōu)點，將有望替代傳統(tǒng)的CO2激光。
光纖激光的波長為1070 nm，是CO2激光波長的1/10。圖1為金屬材料對不同波長激光的吸收率�？梢钥闯觯滩ㄩL的光纖激光更容易被金屬材料吸收。例如低碳鋼對CO2激光的吸收率不足10%，而對光纖激光的吸收率高達35%。這也使得光纖激光能夠切割如鋁、銅等高反射性材料。
圖1 金屬材料對不同波長激光的吸收率
圖2 不同工業(yè)激光的光束質(zhì)量參數(shù)與輸出功率的關系
圖2為不同工業(yè)激光的光束質(zhì)量參數(shù)(BPP)與輸出功率的關系，BPP 值越小表明光束質(zhì)量越好。與其它激光相比，光纖激光具有更好的光束質(zhì)量（只在5~10kW范圍略遜于CO2激光）。光纖激光的低BPP值，使其在高亮度、細焦斑、長焦深、長焦距下能遠距離工作，增強了其在材料加工中的適用性，提高了切割精度。同時光纖激光器在高輸出功率時也能傳輸高質(zhì)量光束，使它也能適用于由CO2激光所主導的厚板金屬切割。
高光束質(zhì)量、高功率密度使光纖激光切割效率更高，可快速切割較薄材料以及更加有效地切割中等厚度材料。圖3為光纖激光與CO2激光切割不銹鋼薄板的速度對比，可以看出，薄板的光纖激光切割速度可達到同等功率CO2激光切割的2~3倍。IPG 2kW光纖激光切割系統(tǒng)切割0.5 mm碳鋼的速度可達40 m/min。切割6 mm厚的材料時，1.5kW光纖激光切割系統(tǒng)的切割速度相當于3kW CO2激光切割系統(tǒng)的切割速度。光纖激光切割的高速度、高效率已得到大量研究報道的證實。
圖3 光纖激光與CO2激光切割不銹鋼板速度對比
傳統(tǒng)CO2激光切割機的光路完全依靠反射鏡傳播，體積較大，占用場地大，對機架和導軌要求極高，難以實現(xiàn)大幅面和多維切割。圖4為高柔性光纖激光切割系統(tǒng)示意圖，光纖激光通過光纖傳輸至激光頭，無需調(diào)整光路，使機械系統(tǒng)的設計變得非常簡單，切割系統(tǒng)更加緊湊。
圖4 高柔性光纖激光切割系統(tǒng)示意圖
光纖激光更重要的一個優(yōu)勢是加工柔性極高，可以加工任意圖形，亦可切割管材及其他異型材，能夠用于各種多維任意空間的加工，為三維激光切割技術在車身制造中的應用提供了巨大的發(fā)展空間。光纖激光+工業(yè)機器人集成系統(tǒng)已實現(xiàn)工程化應用。
CO2激光的光路完全依靠反射鏡傳播，光路衰減快，能量損失較多，其電光轉(zhuǎn)化率在10%以下；而光纖激光的電光轉(zhuǎn)化率可高達30%，大幅降低工作耗電，降低運行成本。
CO2激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，維護成本高，反射鏡和諧振腔需定期維護，渦輪機軸承更換費用昂貴。而光纖激光切割機由光纖傳輸，無需復雜的反射鏡等導光系統(tǒng)，光路簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，外光路免維護，平均無故障時間超過10萬小時，且基本無耗材。圖5給出了4 kW功率下不同工業(yè)激光器的相應成本，可以看出光纖激光設備的運行、維護等成本是最低的。
相比于傳統(tǒng)CO2激光切割具有技術、效率、設備和成本優(yōu)勢，光纖激光為工業(yè)領域帶來了一種綜合成本低、高效生產(chǎn)力的切割加工解決方案，有望替代占據(jù)主要市場的CO2激光切割。
