【MFC推荐】超高功率光纤激光切割技术的最新进展

小奇 钣金加工与焊接喷涂

文/Rouzbeh Sarrafi, Jason Jia, Jing Zhang, Marco Mendes

注：本文转自LASER FOCUS WORLD, 2022年9月20日发布的Advances in Cutting with Ultrahigh-power Fiber Lasers

前言

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。

在过去几年，功率在10kW – 40kW的超高功率（UHP）光纤激光器已快速应用于切割市场，而且用于切割应用的最高激光功率预计将持续提高。

我们将展示该功率段内的切割应用效果，并讨论推动超高功率光纤激光器应用的主要因素：显著的生产率优势、切割质量提升和切割极限厚度的能力（例如，本文中所示：在40kW的功率下切割230 mm厚的不锈钢）。

本文中对于超高功率激光器的功率定义为大于10kW的激光器，它们使新的工艺方法能够促进激光切割扩展到新市场（例如，使用空气作为辅助气体，切割厚度高达50 mm的不锈钢，切割速度比高功率等离子切割快4倍）。应用结果显示：超高功率激光器正在改变切割不锈钢的方式——使用空气切割工艺取代氮气和氧气切割工艺，以实现高品质、高速且经济的切割。

图1：自2016年起，切割设备中使用光纤激光器的最高功率增长情况

50多年前，激光切割技术问世。自此，激光切割进入技术高速发展的时期。20世纪70年代，推出了商用激光切割机，并且早期使用者将其用于大规模生产；20世纪80年代，二氧化碳（CO2）激光切割设备得到了广泛应用；到了20世纪90年代末和2000年代初，高功率光纤激光器被引入；2000年代末，千瓦级光纤激光切割机的发展使激光切割从小规模应用转变成为主流制造工艺。

光纤激光切割机在金属板材激光切割市场中具有重要位置，这主要归功于光纤激光器易于集成、可靠、低维护、相对较低的投资和运行成本、高切割产量以及功率扩大可行性。

在21世纪10年代末和21世纪20年代初，激光切割市场的增长途径有两个方向：第一个趋势是覆盖市场的低功率端，由于设备资本成本降低，因此对1-3kW切割机的需求激增；第二个趋势是在高功率端市场，这也导致对超高功率激光器的需求不断增加。

这是由于超高功率激光器以高性价比提供高生产率和技术能力所推动的，而且激光切割领域经历了一场革命性的“功率转变”，这在同一时期的其他钣金制造工艺中是前所未有的。

从加工制造展上我们可以看到，展出的切割机最高激光功率已从2015年的6kW提升至2022年预期的40kW，增长了近7倍（请参见图1）。仅在过去三年中，激光设备的最高功率就从15kW升至40kW，激增了2.5倍！

为什么现在是最佳时机？

在超高功率切割趋势开始前几年，就已经出现了可靠的高功率光纤激光器。早在2013年就出现了100kW的工业光纤激光器[1]。但仅在过去几年，每千瓦激光器的价格快速下降后，进入超高功率激光切割的门槛才降低，并且能够在恶劣切割环境中承载如此高激光功率的切割头也问世了。除此以外，能与超高功率切割设备适配的切割数据库也日渐完善。

切割测试

本次测试使用的是IPG 40kW 的YLS-40000和IPG 30kW的YLS-30000-ECO2高电光转换效率光纤激光器，配置了100 µm光纤芯径和IPGCut-HP切割头，以评估不同金属的切割速度和质量。据目前的了解，40kW的激光功率，配置100 µm光纤芯径是目前用于工业激光切割中，激光光源可提供的最高激光功率。我们之所以选择直径为100 µm的光纤纤芯，是因为与直径为150 µm的光纤纤芯相比，其切割速度提高了10-25%。

图2：碳钢无渣空气切割的切割速度与功率示意图

更快切割速度

我们的实验表明，对于所有测试金属（包括不锈钢、碳钢和铝），激光切割速度均随平均功率（最高功率达40kW）的增加而提高。图2显示了使用空气切割6-40 mm碳钢，在12kW-40kW功率段之间，切割速度与激光功率的增长情况。

速度增长率随金属厚度的增加而增加。例如，切割12 mm厚的碳钢，40kW切割速度是15kW的280%（功率是270%）；切割20 mm厚的碳钢，40kW切割速度是15kW的420%；对于30 mm碳钢，功率从30kW提高到40kW（功率增长了33%），切割速度提高了66%。由此可见，功率更高的超高功率激光器将会进一步提高厚板切割的生产效率。

为了利用超高功率激光器带来的更快切割速度，来显著缩短生产周期，需要在高加速度下切割工件，尤其是较薄的工件。近年来，为了适应更高的激光功率，激光切割机的最大加速度已从1G转变为3 G。在高端市场，超高功率激光切割机的加速度最高可达6G，并且其机械设计能够保证切割轨迹不会出现明显的偏差。

降低单位部件的加工成本，实现快速的投资回报

相较于较低功率，超高功率激光切割显著降低了单位部件的加工成本，且带来了快速的投资回报和更高的盈利能力。在激光切割中，加工成本主要来自气体消耗，而气体成本往往会随着部件厚度的增加而显著增加。

超高功率激光切割需要使用与低功率切割相同或更小的气体压力和喷嘴尺寸。但超高功率激光器的切割速度更快，这减少了单位部件的切割时间，且大幅减少了气体消耗。例如，与15kW的激光器相比，30kW的激光器可在一半的生产周期中切割一个典型的16 mm厚的不锈钢部件，这能够减少一半的气体消耗。

激光器和水冷机的用电量通常与激光功率呈线性增长关系。尽管如此，切割机其他的用电量仍几乎相同。因此，在先前案例中单位部件的生产节拍快了一半，我们通过提高激光功率降低了每个部件的总用电成本。随着IPG技术的不断发展，高功率光纤激光器的电光转换效率超过50%，更有助于节电[2]。

除了更快的切割速度，超高功率激光器还能够节约气体的使用。与使用更昂贵的氮气或切割速度更慢的氧气切割相比，超高功率激光器允许用高压空气快速、无渣地切割厚碳钢。在氮气和空气切割中，超高功率允许降低无渣切割所需的气压。

例如，用15kW激光器，无渣切割20 mm厚的碳钢，需要使用大于16 bar的气压，而用20kW或更高的功率时，10-12 bar已足够。由于气体使用情况与压力大致呈线性变化（在相同的喷嘴尺寸下），显著减压有助于减少气体消耗并简化气体发生设备的规格。

高功率激光切割设备的生产效率是低功率激光切割设备的2倍，而设备的价格并非其2倍。这是因为每千瓦成本随着激光功率的增加而降低。此外，较高功率激光器的成本被包含进了设备总成本中，呈边际增长（相较于较低功率的激光设备）。因此，超高功率激光切割机通过更高的激光功率能够达到2倍的生产效率，而设备成本仅增加了30-40%。

由于生产效率显著提高，超高功率设备可取代多个低功率设备，相应地可以减少占地面积、减少操作员、更少的设施准备。另一方面，为了保证生产效率，超高功率光纤激光切割机的对激光光源和切割头的可靠性要求更高。也就是说，对于光纤激光光源，需要长期稳定的功率输出和光束质量，这会受二极管、组件和光学集成的质量影响。至于超高功率切割头，需要承受高激光功率、高压气体、灰尘、工艺热量和高加速度，实现稳定可靠的加工。

1. 取决于生产规模
2. 给空气增压并过滤湿气和油的设备
3. 氧气切割使用低压（通常为5-20 psi）和小孔口喷嘴
4. 氮气切割使用高压和大喷嘴
5. 作为切割气体资源的空气没有成本
6. 氧化水平和氧化皮厚度

图3：氧气、氮气和空气切割碳钢的优缺点比较

切割不锈钢的新工艺方案

碳钢可用氧气、氮气或空气作为辅助气体进行切割。图3总结了使用每种辅助气体的优缺点。尽管由于额外的氧化能，氧气切割擅长用较低激光功率切割厚碳钢，但由于切割速度与激光功率不成正比，因此会降低生产效率。

相反，碳钢空气切割速度与功率成正比（请参见图2）。例如，对于16 mm的碳钢，功率在10kW-30kW之间，氧气切割速度保持不变，约为2 m/min，而功率在30kW时，空气切割速度高于9 m/min，这比氧气切割速度快4.5倍。

在较低功率和较低速度下仅用氧气切割的厚度，现在可使用超高功率激光器和空气加工，其速度快几倍且质量良好。对于低功率激光，空气切割会导致难以去除的挂渣和不良的表面质量。对于诸如制造施工设备的行业和重工业这类厚板加工量巨大的行业来说，这种创新高效的超高功率加工方案的开发非常受欢迎。

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.