金属板材成形之家-MFC金属板材成形杂志／金属成形商务咨询（北京）有限公司-MFC《金属成形智造》杂志超高功率光纤激光器能够实现快速且高质量的厚板切割，包括使用空气作为辅助气体切割不锈钢，以及许多优于其他切割方案的优势。
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在上一期中，我们介绍了超高功率光纤激光器的发展历程以及切割优势。本期我们将继续通过实际案例，来展示更多超高功率激光切割的竞争优势。
图4：使用超高功率激光切割机，以脉冲模式切割极厚的不锈钢：
（a）功率30kW，氮气切割70 mm厚的不锈钢；
（b）功率40kW，空气切割230 mm厚的碳钢。
提高钣金切割的厚度、产量和质量
测试显示，随着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，图4显示了在30kW下用氮气切割70 mm厚的不锈钢，以及在40kW下用空气切割230 mm厚的碳钢，两者均在脉冲切割模式下进行。
图5 连续模式下的全速切割：（a）采用IPG 40kW YLS激光器以4.5m/min（177 ipm）的速度空气切割28 mm厚的碳钢；（b）采用IPG 40kW YLS激光器以2.3m/min（90 ipm）的速度空气切割40 mm厚的不锈钢；（c）采用IPG 30kW YLS-ECO激光器氮气切割3-25 mm厚的不锈钢型材；（d）采用15kW功率，氧气切割30 mm厚的碳钢。
在连续波（CW）全速切割模式下，采用20kW无渣空气切割20 mm厚的碳钢、采用40kW无渣空气切割30 mm厚的碳钢、采用40kW无渣空气切割40 mm厚的碳钢（见上篇图2和图5a）。对于切割不锈钢，更容易实现无渣效果，所以极限切割厚度比碳钢要厚（见图5b和图5c）。对于连续氮气和空气切割，在任何给定的功率下，仅能在一定厚度内实现无渣切割和良好切割表面。超过一定厚度，应使用脉冲切割（速度比连续慢）来达到合格质量；否则，必须增加激光功率。通常，低于2m/min的切割速度意味着在连续模式下，激光功率不足，难以达到最佳切割质量。
对于碳钢氧气切割，在满足“切割面光滑”的前提下，增加功率将会增加极限切割厚度；例如，4kW极限切割厚度大约6-8 mm，而15kW极限切割厚度为30 mm。图5d显示了用15kW切割的30 mm厚的碳钢样件。
穿孔更快、更清洁
通过在脉冲模式下使用超高功率激光器的高峰值功率，可快速对厚金属穿孔，产生的飞溅少。16 mm不锈钢的穿孔时间从6kW的>1秒，大幅缩短至10kW的0.5秒和20kW的0.1秒。在实际应用中，通常将≤0.1秒的穿孔视为“瞬时”。较高的峰值功率增加了熔池的深宽比，这使得能够通过更少的横向熔化来更快地桥接厚度。材料横向熔化的减少同样最大限度地减少了顶部表面飞溅。
超高功率激光切割的竞争力
在过去六年，几项技术发展助推了激光切割性能的提高，包括：1）通过选配多种准直或多芯光纤来决定所需的聚焦光斑尺寸；2）能够提高某些金属的加工效率和质量的高速旋转光束；3）用于更快、更清洁的穿孔/复杂切割的高峰值功率连续激光器；4）超高功率激光器。
尽管各个行业的需求各不相同，且所有使能技术（使工艺能够运行的技术）均在特定领域使用，但超高功率激光切割是推动激光切割性能提高的领先技术趋势。这一点可以从全球大量激光切割机采用超高功率激光器中得到验证。随着越来越多地接触超高功率激光器，应用工程师们了解到，超高功率切割机的产量和质量效益是多方面的，其凭借较少的复杂性超过较低激光功率使能技术。
超高功率激光器在厚板切割中的切割厚度、质量和成本效益优势显著，特别是在15kW和更高的功率下，比高电流强度等离子切割机更具竞争力。对比测试显示，对于高达50 mm厚的不锈钢，20kW光纤激光器比高电流强度（300A）等离子切割机快1.5-2.5倍。对于碳钢，同样显示出切割高达15 mm厚的速度快两倍以上。计算表明，对于15 mm厚的碳钢，与等离子相比，使用20kW激光器每米的总切割成本相对降低了大约2倍。由于与使用高功率等离子相比，使用40kW激光切割12-50 mm厚的不锈钢截面的速度要快3-4倍，而使用40kW激光切割12-30 mm厚的低碳钢截面的速度要快3-5倍，因此生产率的差异更大。
采用超高功率激光器
与低功率激光器和其他切割工艺（例如等离子切割）相比，采用超高功率激光器进行切割的主要驱动力是更高的生产率和由此产生的每个部件更低的切割成本。使用超高功率激光器带来的速度增益为制造商提供了规模经济；例如，从30kW到40kW功率增加了33%，促使切割速度提高了66%。
超高功率激光器能够实现碳钢的高质量、快速的空气切割，这比速度较慢的氧气切割和成本较高的氮气切割更具优势。在我们的测试中，采用40kW空气切割高达50 mm厚的碳钢，比用高功率等离子切割速度快3-4倍。
超高功率激光器使激光切割在许多其他方面更具竞争力。例如，增加切割厚度和质量（可切割厚度高达230 mm的材料），减少或去除后续加工成本（能够最大限度地减少挂渣），减少占地面积和设施成本，降低对人工的要求，以及提高穿孔的质量和产量。
随着超高功率激光器的功率和能效不断提高，这些优势将变得更加明显——提高其在不同行业中快速、经济地改变切割应用的能力。
参考文献
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.
