二 ○○七年至二○○八年的冬天，Salvagnini公司開始研究運(yùn)用光纖激光技術(shù)來切割金屬薄片的可能性。和其他公司一樣，這家公司曾花巨資用于制造和行銷CO2激光切割機(jī)，但是管理層意識到，CO2激光器正步入成熟的產(chǎn)品階段，難以有技術(shù)上的提高，更不會有質(zhì)的飛躍。Salvagnini認(rèn)為市場需要一些新的、更好的產(chǎn)品，當(dāng)公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員深入鉆研光纖項(xiàng)目后，他們變得非常興奮。

最初的研究是使用IPG Photonic公司的光纖激光器，在切割薄材料時速度前所未有的快，而在切割厚一些的材料時速度相對較慢。CO2激光器在切割最厚的材料時表現(xiàn)仍是最好，但對于金屬薄片加工市場來說，光纖激光技術(shù)似乎更適合。除了速度外，光纖激光的操作成本也比CO2激光器低五倍，這對光纖激光切割機(jī)的所有者來說，意味著投資回收期縮短，投資回報率更高。在完成初步研究后，前景就明確了——Salvagnini將采用光纖激光器。

第一臺光纖激光切割機(jī)

在2008年上半年，該公司的工程師們設(shè)計和組裝了公司第一臺使用IPG光纖激光器的光纖激光切割機(jī)，結(jié)構(gòu)基于L1 CO2激光系統(tǒng)架構(gòu)。該機(jī)器不需要預(yù)熱，不需要激光氣體，也不需要調(diào)腔，但由于其1微米波長，該切割機(jī)能切割紅銅、黃銅、鋁和鍍鋅鋼等高反射度材料。測試結(jié)果證明，2kw光纖激光器的表現(xiàn)幾乎都優(yōu)于4kw CO2激光器，因而設(shè)計師和工程師開始著手構(gòu)建商業(yè)光纖激光切割機(jī)。

2008年10月L1Xe光纖激光器在歐洲金屬板材加工技術(shù)展覽會（EuroBlech）上被推向世界，在2009年美國金屬加工展（FabTech）上被推向美國市場。Salvagnini公司2009年3月將其第一臺光纖激光切割機(jī)裝船，并在隨后的兩年半里在世界各地安裝了130多臺設(shè)備。2010年，該公司引進(jìn)了功率為2kw和3kw的第二代激光系統(tǒng)，不再置于先前的CO2激光機(jī)機(jī)架上，而是設(shè)計了適于光纖激光器的機(jī)架，以充分發(fā)揮光纖技術(shù)的作用。

70%的解決方案

自從激光技術(shù)被引入切割金屬薄板，CO2激光器就雄踞市場。但是，光纖激光器在新近銷售中的份額日益增大。相較于CO2激光器，光纖激光器的簡易性顯而易見：采用光纖激光器的機(jī)器占地小，激光光源和冷卻系統(tǒng)體積也更小；沒有激光氣體管線，也不需要調(diào)校鏡片。而功率為2kw或3kw的光纖激光光源只需要4kw或6kw CO2激光光源能耗的50%就能達(dá)到相同的性能，并且速度更快、能耗更低、對環(huán)境造成的影響更少。

問題的關(guān)鍵在于激光光源。CO2激光光源需要很多能量來激發(fā)氮分子來與CO2分子（激光氣體）產(chǎn)生碰撞，促使它們發(fā)射光子，最終形成可以割穿金屬的激光束。諧振腔內(nèi)的分子活動在釋放出光的同時也釋放出熱量，這就需要一個冷卻系統(tǒng)來冷卻激光氣體。這意味著在冷卻過程中要消耗更多能量，進(jìn)一步減低了能效。

另外一方面，光纖激光器采用固態(tài)二極管來泵浦雙包層摻鐿光纖內(nèi)的分子，受激發(fā)射的光多次穿過纖芯，然后形成激光通過傳輸光纖向進(jìn)行切割的聚焦頭輸出。由于所有分子間的碰撞都發(fā)生在光纖內(nèi)，就不需要激光氣體，因此所需能源大大減少——約為CO2 激光器的三分之一。由于產(chǎn)生的熱量越少，冷卻器的體積就可以相應(yīng)縮小?？傊?，在達(dá)到相同性能的情況下，光纖激光器的整體能耗要比CO2 激光器低70%。

如何適用于現(xiàn)代車間？

光纖激光設(shè)備是極其通用和高效的工作母機(jī)，可以適用于各種大小和復(fù)雜程度的車間。對于切割各種材料和厚度不一的金屬，Salvagnini 公司的L3（見圖2）和 L5激光切割機(jī)（見圖3和圖4）不需要更換激光頭，就能夠切割厚達(dá)0.70英寸鋼材、厚達(dá)0.394英寸的不銹鋼、0.315英寸厚的鋁材和0.197英寸厚的銅及黃銅。

對于重視速度的企業(yè)來說，光纖激光器在切割那些厚度為7至12 Gauge的材料時表現(xiàn)得無可匹敵。例如，在切割厚度為20至22 Gauge低碳鋼時，光纖激光器的切割速度是CO2激光器的兩倍，再配備上L5的CompassTM專利技術(shù)激光聚焦頭，切割起來噪音很低，切割面極為光滑。對于厚度超過7至12 Gauge的材料，速度優(yōu)勢開始消失，直至切割速度與CO2 激光器相差無幾，但光纖激光器的操作成本仍要低一些。

速度和通用性在制造業(yè)中至關(guān)重要，因?yàn)樵谥圃旃に嚂黾映善返某杀?。但獲利能力狀況還需要考慮其它成本。例如，Salvagnini光纖激光切割機(jī)的總操作成本約為每小時56美分，而典型的CO2 激光切割機(jī)的總操作成本為每小時3.19美元。此外，光纖激光切割機(jī)不需要校準(zhǔn)反光鏡，不需要更換鼓風(fēng)機(jī)，不需要調(diào)準(zhǔn)諧振腔，不需要更換激光氣體，維護(hù)成本幾乎可以忽略不計。一套激光源設(shè)備預(yù)計可以工作100000小時，這是CO2 激光器諧振器的五倍，且不存在更換成本和故障停工成本。綜合考慮，光纖激光器切割速度是CO2 激光器的兩倍，而成本是其的六分之一，投資回收期為CO2 激光器的70%。

最后，同時也是重要的一點(diǎn)，激光零件得益于極其穩(wěn)定的光束平臺，能夠保持一貫優(yōu)良的質(zhì)量，從而保證切割質(zhì)量——即使由于金屬表面凹凸不平導(dǎo)致噴嘴和被切割的薄板之間的距離發(fā)生變化。由于光纖激光器的光斑尺寸小，切縫嚴(yán)密，在實(shí)現(xiàn)高速切割的同時也能保證切割質(zhì)量。這意味著減少了報廢零件，生產(chǎn)出高質(zhì)量的成品。

金屬薄片切割的未來

2008年還沒有幾家公司看到了（或者不愿意承認(rèn)）光纖激光切割機(jī)的潛力，但隨后許多重要系統(tǒng)制造商們研發(fā)了一些的光纖激光切割機(jī)。但歷史告訴我們，技術(shù)永遠(yuǎn)不會停滯不前。固態(tài)二極管激光源可以升級，高達(dá)50kw的電源組已被組裝用于其它用途，盡管這對于金屬薄片切割來說威力過于強(qiáng)大，因此功率不是問題。還有人努力研發(fā)光學(xué)方面，以便能切割更厚的金屬片。直到最近，切割薄膜一直是個難題，但是已針對這一問題提出了解決方案，成功在望。隨著技術(shù)的改進(jìn)和能力的提升，光纖激光器在年銷售額上挑戰(zhàn)CO2 激光器只是時間問題。

本文作者Ricky Hansson（電郵：Ricky.hansson@salvagnini.com）是Salvagnini美國公司應(yīng)用和項(xiàng)目管理副總裁。