超高功率光纤激光器可以完成快速且高质量的厚板切开，包含运用空气作为辅佐气体切开不锈钢，以及许多优于其他切开计划的优势。在曩昔几年，功率在10kW～40kW的超高功率（UHP）已快速运用于切开商场，而且用于切开运用的最高激光功率估计将继续进步。咱们将展现该功率段内的切开运用作用，并评论推进超高功率光纤激光器运用的首要因素：显着的出产率优势、切开质量进步和切开极限厚度的才能（例如，本文中所示：在40kW的功率下切开230mm厚的不锈钢）。本文中关于超高功率激光器的功率界说为大于10kW的激光器，它们使新的工艺办法可以促进激光切开扩展到新商场（例如，运用空气作为辅佐气体，切开厚度高达50mm的不锈钢，切开速度比高功率等离子切开快4倍）。运用成果显现：超高功率激光器正在改动切开不锈钢的方法——运用空气切开工艺替代氮气和氧气切开工艺，以完成高品质、高速且经济的切开。

  50多年前，激光切开技能面世。自此，激光切开进入技能高速开展的时期。20世纪70年代，推出了商用激光切开机，而且前期运用者将其用于大规划出产；20世纪80年代，二氧化碳（CO₂）激光切开设备得到了广泛运用；到了20世纪90年代末和2000年代初，高功率光纤激光器被引进；2000年代末，千瓦级光纤激光切开机的开展使激光切开从小规划运用改动成为干流制作工艺。光纤激光切开机在金属板材激光切开商场中具有重要方位，这首要归功于光纤激光器易于集成、牢靠、低保护、相对较低的出资和运转本钱、高切开产值以及功率扩展可行性。在21世纪10年代末和21世纪20年代初，激光切开商场的添加途径有两个方向：第一个趋势是掩盖商场的低功率端，因为设备本钱本钱下降，因而对1～3kW切开机的需求激增；第二个趋势是在高功率端商场，这也导致对超高功率激光器的需求不断添加。这是因为超高功率激光器以高性价比供给高出产率和技能才能所推进的，而且激光切开范畴阅历了一场革命性的“功率改动”，这在同一时期的其他钣金制作工艺中是史无前例的。从加工制作展上咱们可以看到，展出的切开机最高激光功率已从2015年的6kW进步至2022年预期的40kW，添加了近7倍（请参见图1）。仅在曩昔三年中，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？在超高功率切开趋势开端前几年，就现已呈现了牢靠的高功率光纤激光器。早在2013年就呈现了100kW的工业光纤激光器[1]。但仅在曩昔几年，每千瓦激光器的价格快速下降后，进入超高功率激光切开的门槛才下降，而且可以在恶劣切开环境中承载如此高激光功率的切开头也面世了。除此以外，能与超高功率切开设备适配的切开数据库也日渐完善。切开测验本次测验运用的是IPG 40kW的YLS-40000和IPG 30kW的YLS-30000-ECO2高电光转化功率光纤激光器，装备了100 µm光纤芯径和IPGCut-HP切开头，以评价不同金属的切开速度和质量。据现在的了解，40kW的激光功率，装备100 µm光纤芯径是现在用于工业激光切开中，激光光源可供给的最高激光功率。咱们之所以挑选直径为100 µm的光纤纤芯，是因为与直径为150 µm的光纤纤芯比较，其切开速度进步了10-25%。更快切开速度咱们的试验标明，关于一切测验金属（包含不锈钢、碳钢和铝），激光切开速度均随平均功率（最高功率达40kW）的添加而进步。图2显现了运用空气切开6～40 mm碳钢，在12kW～40kW功率段之间，切开速度与激光功率的添加状况。速度添加率随金属厚度的添加而添加。例如，切开12 mm厚的碳钢，40kW切开速度是15kW的280%（功率是270%）；切开20 mm厚的碳钢，40kW切开速度是15kW的420%；关于30 mm碳钢，功率从30kW进步到40kW（功率添加了33%），切开速度进步了66%。由此可见，功率更高的超高功率激光器将会进一步进步厚板切开的出产功率。

  为了运用超高功率激光器带来的更快切开速度，来显着缩短出产周期，需求在高加速度下切开工件，尤其是较薄的工件。近年来，为了习惯更高的激光功率，激光切开机的最大加速度已从1G改动为3G。在高端商场，超高功率激光切开机的加速度最高可达6G，而且其机械设计可以确保切开轨道不会呈现显着的误差。下降单位部件的加工本钱，完成快速的出资报答相较于较低功率，超高功率激光切开显着下降了单位部件的加工本钱，且带来了快速的出资报答和更高的盈余才能。在激光切开中，加工本钱首要来自气体耗费，而气体本钱往往会跟着部件厚度的添加而显着添加。超高功率激光切开需求运用与低功率切开相同或更小的气体压力和喷嘴尺度。但超高功率激光器的切开速度更快，这削减了单位部件的切开时刻，且大幅削减了气体耗费。例如，与15kW的激光器比较，30kW的激光器可在一半的出产周期中切开一个典型的16 mm厚的不锈钢部件，这可以削减一半的气体耗费。激光器和水冷机的用电量一般与激光功率呈线性添加联系。虽然如此，切开机其他的用电量仍简直相同。因而，在从前事例中单位部件的出产节拍快了一半，咱们经过进步激光功率下降了每个部件的总用电本钱。跟着IPG技能的不断开展，高功率光纤激光器的电光转化功率超越50%，更有助于节电[2]。除了更快的切开速度，超高功率激光器还可以节省气体的运用。与运用更贵重的氮气或切开速度更慢的氧气切开比较，超高功率激光器答运用高压空气快速、无渣地切开厚碳钢。在氮气和空气切开中，超高功率答应下降无渣切开所需的气压。例如，用15kW激光器，无渣切开20 mm厚的碳钢，需求运用大于16 bar的气压，而用20kW或更高的功率时，10～12 bar已满意。因为气体运用状况与压力大致呈线性改动（在相同的喷嘴尺度下），显着减压有助于削减气体耗费并简化气体发生设备的标准。高功率激光切开设备的出产功率是低功率激光切开设备的2倍，而设备的价格并非其2倍。这是因为每千瓦本钱跟着激光功率的添加而下降。此外，较高功率激光器的本钱被包含进了设备总本钱中，呈边沿添加（相较于较低功率的激光设备）。因而，超高功率激光切开机经过更高的激光功率可以到达2倍的出产功率，而设备本钱仅添加了30%～40%。因为出产功率显着进步，超高功率设备可替代多个低功率设备，相应地可以削减占地面积、削减操作员、更少的设备预备。另一方面，为了确保出产功率，超高功率光纤激光切开机的对激光光源和切开头的牢靠性要求更高。也就是说，关于光纤激光光源，需求长时刻安稳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。至于超高功率切开头，需求接受高激光功率、高压气体、尘埃、工艺热量和高加速度，完成安稳牢靠的加工。切开不锈钢的新工艺计划碳钢可用氧气、氮气或空气作为辅佐气体进行切开。图3总结了运用每种辅佐气体的优缺点。虽然因为额定的氧化能，氧气切开拿手用较低激光功率切开厚碳钢，但因为切开速度与激光功率不成正比，因而会下降出产功率。相反，碳钢空气切开速度与功率成正比（请参见图2）。例如，关于16 mm的碳钢，功率在10kW～30kW之间，氧气切开速度坚持不变，约为2 m/min，而功率在30kW时，空气切开速度高于9 m/min，这比氧气切开速度快4.5倍。

  1、取决于出产规划2、给空气增压并过滤湿气和油的设备3、氧气切开运用低压（一般为5-20 psi）和小孔口喷嘴4、氮气切开运用高压和大喷嘴5、作为切开气体资源的空气没有本钱6、氧化水平缓氧化皮厚度在较低功率和较低速度下仅用氧气切开的厚度，现在可运用超高功率激光器和空气加工，其速度快几倍且质量杰出。关于低功率激光，空气切开会导致难以去除的挂渣和不良的外表质量。关于比如制作施工设备的职业和重工业这类厚板加工量巨大的职业来说，这种立异高效的超高功率加工计划的开发十分受欢迎。进步钣金切开的厚度、产值和质量测验显现，跟着超高功率激光器功率的添加，切开厚度才能也有所添加。例如，图4显现了在30kW下用氮气切开70 mm厚的不锈钢，以及在40kW下用空气切开230 mm厚的碳钢，两者均在脉冲切开形式下进行。

  图4：运用超高功率激光切开机，以脉冲形式切开极厚的不锈钢：（a）功率30kW，氮气切开70 mm厚的不锈钢；（b）功率40kW，空气切开230 mm厚的碳钢。在接连波（CW）全速切开形式下，选用20kW无渣空气切开20 mm厚的碳钢、选用40kW无渣空气切开30 mm厚的碳钢、选用40kW无渣空气切开40 mm厚的碳钢（见图2和图5a）。关于切开不锈钢，更简单完成无渣作用，所以极限切开厚度比碳钢要厚（见图5b和图5c）。关于接连氮气和空气切开，在任何给定的功率下，仅能在必定厚度内完成无渣切开和杰出切开外表。超越必定厚度，应运用脉冲切开（速度比接连慢）来到达合格质量；不然，有必要添加激光功率。一般，低于2m/min的切开速度意味着在接连形式下，激光功率缺乏，难以到达最佳切开质量。

  图5 接连形式下的全速切开：（a）选用IPG 40kW YLS激光器以4.5m/min（177 ipm）的速度空气切开28 mm厚的碳钢；（b）选用IPG 40kW YLS激光器以2.3m/min（90 ipm）的速度空气切开40 mm厚的不锈钢；（c）选用IPG 30kW YLS-ECO激光器氮气切开3-25 mm厚的不锈钢型材；（d）选用15kW功率，氧气切开30 mm厚的碳钢。关于碳钢氧气切开，在满意“切开面润滑”的前提下，添加功率将会添加极限切开厚度；例如，4kW极限切开厚度大约6～8 mm，而15kW极限切开厚度为30 mm。图5d显现了用15kW切开的30 mm厚的碳钢样件。穿孔更快、更清洁经过在脉冲形式下运用超高功率激光器的高峰值功率，可快速对厚金属穿孔，发生的飞溅少。16 mm不锈钢的穿孔时刻从6kW的1秒，大幅缩短至10kW的0.5秒和20kW的0.1秒。在实践运用中，一般将≤0.1秒的穿孔视为“瞬时”。较高的峰值功率添加了熔池的深宽比，这使得可以经过更少的横向熔化来更快地桥接厚度。资料横向熔化的削减相同最大极限地削减了顶部外表飞溅。超高功率激光切开的竞争力在曩昔六年，几项技能开展助推了激光切开功能的进步，包含：1）经过选配多种准直或多芯光纤来决议所需的聚集光斑尺度；2）可以进步某些金属的加工功率和质量的高速旋转光束；3）用于更快、更清洁的穿孔/杂乱切开的高峰值功率接连激光器；4）超高功率激光器。虽然各个职业的需求各不相同，且一切使能技能（使工艺可以运转的技能）均在特定范畴运用，但超高功率激光切开是推进激光切开功能进步的抢先技能趋势。这一点可以从全球很多激光切开机选用超高功率激光器中得到验证。跟着越来越多地触摸超高功率激光器，运用工程师们了解到，超高功率切开机的产值和质量效益是多方面的，其凭仗较少的杂乱性超越较低激光功率使能技能。超高功率激光器在厚板切开中的切开厚度、质量和本钱效益优势显着，特别是在15kW和更高的功率下，比高电流强度等离子切开机更具竞争力。比照测验显现，关于高达50 mm厚的不锈钢，20kW光纤激光器比高电流强度（300A）等离子切开机快1.5～2.5倍。关于碳钢，相同显现出切开高达15 mm厚的速度快两倍以上。核算标明，关于15 mm厚的碳钢，与等离子比较，运用20kW激光器每米的总切开本钱相对下降了大约2倍。因为与运用高功率等离子比较，运用40kW激光切开12～50 mm厚的不锈钢截面的速度要快3～4倍，而运用40kW激光切开12～30 mm厚的低碳钢截面的速度要快3～5倍，因而出产率的差异更大。选用超高功率激光器与低功率激光器和其他切开工艺（例如等离子切开）比较，选用超高功率激光器进行切开的首要驱动力是更高的出产率和由此发生的每个部件更低的切开本钱。运用超高功率激光器带来的速度增益为制作商供给了规划经济；例如，从30kW到40kW功率添加了33%，促进切开速度进步了66%。超高功率激光器可以完成碳钢的高质量、快速的空气切开，这比速度较慢的氧气切开和本钱较高的氮气切开更具优势。在咱们的测验中，选用40kW空气切开高达50 mm厚的碳钢，比用高功率等离子切开速度快3～4倍。超高功率激光器使激光切开在许多其他方面更具竞争力。例如，添加切开厚度和质量（可切开厚度高达230 mm的资料），削减或去除后续加工本钱（可以最大极限地削减挂渣），削减占地面积和设备本钱，下降对人工的要求，以及进步穿孔的质量和产值。跟着超高功率激光器的功率和能效不断进步，这些优势将变得愈加显着——进步其在不同职业中快速、经济地改动切开运用的才能。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