文/Rouzbeh Sarrafi, Jason Jia, Jing Zhang, Marco Mendes
注：本文轉自LASER FOCUS WORLD, 2022年9月20日發布的Advances in Cutting with Ultrahigh-power Fiber Lasers

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，包括使用空氣作為輔助氣體切割不銹鋼，以及許多優于其他切割方案的優勢。
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于切割市場，而且用于切割應用的最高激光功率預計將持續提高。我們將展示該功率段內的切割應用效果，并討論推動超高功率光纖激光器應用的主要因素：顯著的生產率優勢、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厚的不銹鋼）。
本文中對于超高功率激光器的功率定義為大于10kW的激光器，它們使新的工藝方法能夠促進激光切割擴展到新市場（例如，使用空氣作為輔助氣體，切割厚度高達50mm的不銹鋼，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銹鋼的方式——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，并且早期使用者將其用于大規模生產；20世紀80年代，二氧化碳（CO?）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小規模應用轉變成為主流制造工藝。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，這主要歸功于光纖激光器易于集成、可靠、低維護、相對較低的投資和運行成本、高切割產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個方向：第一個趨勢是覆蓋市場的低功率端，由于設備資本成本降低，因此對1～3kW切割機的需求激增；第二個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。
這是由于超高功率激光器以高性價比提供高生產率和技術能力所推動的，而且激光切割領域經歷了一場革命性的“功率轉變”，這在同一時期的其他鈑金制造工藝中是前所未有的。從加工制造展上我們可以看到，展出的切割機最高激光功率已從2015年的6kW提升至2022年預期的40kW，增長了近7倍（請參見圖1）。僅在過去三年中，激光設備的最高功率就從15kW升至40kW，激增了2.5倍！
為什么現在是最佳時機？
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的工業光纖激光器[1]。但僅在過去幾年，每千瓦激光器的價格快速下降后，進入超高功率激光切割的門檻才降低，并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光纖芯徑是目前用于工業激光切割中，激光光源可提供的最高激光功率。我們之所以選擇直徑為100 μm的光纖纖芯，是因為與直徑為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
我們的實驗表明，對于所有測試金屬（包括不銹鋼、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%；對于30 mm碳鋼，功率從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進一步提高厚板切割的生產效率。

圖2：碳鋼無渣空氣切割的切割速度與功率示意圖

為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，為了適應更高的激光功率，激光切割機的最大加速度已從1G轉變為3G。在高端市場，超高功率激光切割機的加速度最高可達6G，并且其機械設計能夠保證切割軌跡不會出現明顯的偏差。
降低單位部件的加工成本，實現快速的投資回報
相較于較低功率，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消耗，而氣體成本往往會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低功率切割相同或更小的氣體壓力和噴嘴尺寸。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，且大幅減少了氣體消耗。例如，與15kW的激光器相比，30kW的激光器可在一半的生產周期中切割一個典型的16 mm厚的不銹鋼部件，這能夠減少一半的氣體消耗。
激光器和水冷機的用電量通常與激光功率呈線性增長關系。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節拍快了一半，我們通過提高激光功率降低了每個部件的總用電成本。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%，更有助于節電[2]。
除了更快的切割速度，超高功率激光器還能夠節約氣體的使用。與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，需要使用大于16 bar的氣壓，而用20kW或更高的功率時，10～12 bar已足夠。由于氣體使用情況與壓力大致呈線性變化（在相同的噴嘴尺寸下），顯著減壓有助于減少氣體消耗并簡化氣體發生設備的規格。
高功率激光切割設備的生產效率是低功率激光切割設備的2倍，而設備的價格并非其2倍。這是因為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（相較于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倍的生產效率，而設備成本僅增加了30%～40%。
由于生產效率顯著提高，超高功率設備可取代多個低功率設備，相應地可以減少占地面積、減少操作員、更少的設施準備。另一方面，為了保證生產效率，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，對于光纖激光光源，需要長期穩定的功率輸出和光束質量，這會受二極管、組件和光學集成的質量影響。至于超高功率切割頭，需要承受高激光功率、高壓氣體、灰塵、工藝熱量和高加速度，實現穩定可靠的加工。
切割不銹鋼的新工藝方案
碳鋼可用氧氣、氮氣或空氣作為輔助氣體進行切割。圖3總結了使用每種輔助氣體的優缺點。盡管由于額外的氧化能，氧氣切割擅長用較低激光功率切割厚碳鋼，但由于切割速度與激光功率不成正比，因此會降低生產效率。相反，碳鋼空氣切割速度與功率成正比（請參見圖2）。例如，對于16 mm的碳鋼，功率在10kW～30kW之間，氧氣切割速度保持不變，約為2 m/min，而功率在30kW時，空氣切割速度高于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缺點比較

1、取決于生產規模
2、給空氣增壓并過濾濕氣和油的設備
3、氧氣切割使用低壓（通常為5-20 psi）和小孔口噴嘴
4、氮氣切割使用高壓和大噴嘴
5、作為切割氣體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。對于低功率激光，空氣切割會導致難以去除的掛渣和不良的表面質量。對于諸如制造施工設備的行業和重工業這類厚板加工量巨大的行業來說，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厚的不銹鋼，以及在40kW下用空氣切割230 mm厚的碳鋼，兩者均在脈沖切割模式下進行。

圖4：使用超高功率激光切割機，以脈沖模式切割極厚的不銹鋼：
（a）功率30kW，氮氣切割70 mm厚的不銹鋼；
（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）。對于切割不銹鋼，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）。對于連續氮氣和空氣切割，在任何給定的功率下，僅能在一定厚度內實現無渣切割和良好切割表面。超過一定厚度，應使用脈沖切割（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，低于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厚的不銹鋼；（c）采用IPG 30kW YLS-ECO激光器氮氣切割3-25 mm厚的不銹鋼型材；（d）采用15kW功率，氧氣切割30 mm厚的碳鋼。
對于碳鋼氧氣切割，在滿足“切割面光滑”的前提下，增加功率將會增加極限切割厚度；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
通過在脈沖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，產生的飛濺少。16 mm不銹鋼的穿孔時間從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“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面飛濺。
超高功率激光切割的競爭力
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）用于更快、更清潔的穿孔/復雜切割的高峰值功率連續激光器；4）超高功率激光器。
盡管各個行業的需求各不相同，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，應用工程師們了解到，超高功率切割機的產量和質量效益是多方面的，其憑借較少的復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力。對比測試顯示，對于高達50 mm厚的不銹鋼，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。對于碳鋼，同樣顯示出切割高達15 mm厚的速度快兩倍以上。計算表明，對于15 mm厚的碳鋼，與等離子相比，使用20kW激光器每米的總切割成本相對降低了大約2倍。由于與使用高功率等離子相比，使用40kW激光切割12～50 mm厚的不銹鋼截面的速度要快3～4倍，而使用40kW激光切割12～30 mm厚的低碳鋼截面的速度要快3～5倍，因此生產率的差異更大。
采用超高功率激光器

與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率和由此產生的每個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制造商提供了規模經濟；例如，從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勢。在我們的測試中，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面更具競爭力。例如，增加切割厚度和質量（可切割厚度高達230 mm的材料），減少或去除后續加工成本（能夠最大限度地減少掛渣），減少占地面積和設施成本，降低對人工的要求，以及提高穿孔的質量和產量。
隨著超高功率激光器的功率和能效不斷提高，這些優勢將變得更加明顯——提高其在不同行業中快速、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.