突破市場的發(fā)展瓶頸 光纖激光切割將迎新時代

　　CO2激光器已經(jīng)達到了眾所周知的上限，從光纖激光技術迎來突破開始，高功率光纖激光切割機已經(jīng)通過不斷地發(fā)展和進化迅速找到了其在制造行業(yè)的位置。

　　CO2激光器的上限

　　30多年來，二氧化碳(CO2)激光器的功率和性能似乎已經(jīng)發(fā)展到了一個極限水平，消費者購買的CO2激光設備的功率大多在4-5kW范圍內(nèi)(偶爾也會購買6kW的設備)。大約花了15年時間才使3kW的CO2激光器的銷售變?yōu)槌Ｒ?，之后又花?年才使得4kW的產(chǎn)品成為最終用戶的主流選擇。事實上，功率更高的CO2激光器(6kW及以上)的問世已有很多年，可追溯到20世紀90年代。盡管高功率CO2激光器的銷量在21世紀略有增長，但它們卻從未能夠媲美和接近4-5kW功率的產(chǎn)品的銷售額。

　　首先，隨著斬光器、電子控制快門、偏振元件、光束準直和更好的控制元件等技術陸續(xù)應運而生，CO2激光技術在發(fā)展和演變的過程中實現(xiàn)了巨大的改進。由于這些技術發(fā)展在很大程度上改善了CO2激光器的性能，從而賦予產(chǎn)品更好的易用性。之前，行業(yè)需求還不是以強調(diào)如今的多款式，小批量趨勢為主，直至2000年這一策略發(fā)生了變化。然而，行業(yè)仍然在發(fā)生各種變革，而制造業(yè)的生產(chǎn)效率也在提高。由于CO2激光器得到了改善，也一并帶動了產(chǎn)品的需求和銷量。但無論怎樣，CO2激光器的價格仍然相對昂貴，而且需要大量的電源和維護需求。

　　90年代中期，激光技術已漸漸進入了強勢增長期，直到2000年，激光技術已經(jīng)超越?jīng)_壓技術成為了制造業(yè)首選的主流加工“利器”。因此，制造戰(zhàn)略迅速得到變遷，精簡成為關鍵字，而“多品種，小批量”繼而成為了高效制造的新準則。這個準則要求的是“即時(justin-time)生產(chǎn)”，而激光便成為了理想的工具，因為在工件轉(zhuǎn)換的過程中，這一加工技術能夠減少或消除設置時間。

　　4-5kW功率的激光器對于99%的切割工件而言都是非常適合的選擇。那么，為什么6kW功率或以上的CO2激光器沒有統(tǒng)領市場呢?很難得到一個明確的答案，但可以肯定的是多重因素造成了這一現(xiàn)象。我們知道，這些高功率的機器使用氮氣切割時的加工速度要高于低功率的激光器。較高功率的點密度能夠使材料得到更快的汽化，繼而使加工頭獲得更快的運動速度，并且加速切割過程。其直接的結(jié)果是使用氮氣更快地切割零件，提升整體的生產(chǎn)效率;同時，清除下游噴漆或焊接操作所產(chǎn)生的氧化層的二次處理工藝也得到了剔除。

　　氧化是使用氧氣(O2)作為輔助氣體后所產(chǎn)生的一種常用副產(chǎn)物。為了幫助說明一款6kW功率的CO2激光器和一款4kW的CO2激光器使用氮氣作為輔助氣體來切割1/4英寸的低碳鋼所產(chǎn)生的優(yōu)勢，4kW的激光器每分鐘約切割的材料為60-80英寸，而6kW的激光器每分鐘的材料切削率為110-120英寸。除了加工速度更快之外，高功率的CO2激光器也能夠提升材料的加工厚度，賦予車間加工厚型不銹鋼、低碳鋼和鋁材更好的能力。鑒于此，似乎該技術是朝著更高效、更高產(chǎn)的進化過程蛻變的一個合乎邏輯的步驟。

　　然而，這也從某些層面反映出CO2激光器似乎已經(jīng)達到眾所周知的上限。伴隨CO2激光器功率的增加，機器的運行成本、零部件數(shù)量、電力消耗和整體維護成本等也相繼增加。在資本投資與增加的運營成本Vs.生產(chǎn)效率和提升的產(chǎn)能之間產(chǎn)生了不同的權衡，繼而引導采購者再次回歸選擇使用4–5kW功率范圍的CO2激光器。

　　光纖激光技術迎來突破

　　2000年以后，激光器的銷售高歌猛進，并長時間在市場份額上超越?jīng)_床。2005年， 光纖技術成為了激光切割的一個時髦詞，盡管光纖激光設備在美國部分市場占據(jù)一定的銷售份額，但早期的銷售多集中在歐洲的制造市場。事實上，主要的激光原始設備制造商(OEM) 尚未在他們的生產(chǎn)線中引入光纖激光技術。2005年至2010年期間，光纖激光技術和設備在美國的銷量非常小，銷售的產(chǎn)品的最大功率約為2kW。直至2010年在德國漢諾威舉行的歐洲國際金屬板材加工技術展覽會(EuroBLECH)以及2011年美國國際金屬加工及焊接展覽會(Fabtech)上，數(shù)家大型的OEM廠商展示了他們新研發(fā)的光纖激光技術后，光纖激光器才在美國迎來了其初次亮相的盛會。

　　圖1：Amada 美國公司的LCG AJ光纖激光切割機能夠提供6kW功率的產(chǎn)品。

　　即便如此，2011年，光纖激光器在所有用于切割應用的激光器產(chǎn)品銷售中僅占據(jù)約5-10%的份額。然而，一些制造商已經(jīng)開始推出4kW功率的產(chǎn)品。在2014年于亞特蘭大舉行的Fabtech展上，光纖激光器是唯一在展覽會上展示的激光切割設備，展品的功率介于2-12kW(圖1)。在同一時段，相比CO2激光器，光纖激光器的銷售比例已急劇上升，2015年，光纖激光器的銷量顯示首次超過了CO2產(chǎn)品。

　　從2005年到2010年，光纖激光器的銷量依然適中。原因可能有幾個，但最需提升的是熟悉性和舒適水平。在這一期間，能夠提供這一選項的大型OEM廠商非常少，而最終用戶也不確定這一光纖激光技術究竟是會被真正接受或只是曇花一現(xiàn)。隨著越來越多的OEM廠商開始推出光纖激光設備后，這一技術領域才真正迎來了正統(tǒng)性。

　　光纖激光新時代的來臨

　　隨著光纖激光器逐漸發(fā)展到如今的規(guī)模，其優(yōu)勢不言而喻。當?shù)谝淮瓮瞥鰰r，產(chǎn)品的主要賣點之一是與CO2激光器相比所實現(xiàn)的低運行成本。光纖激光器的操作成本僅是CO2激光器的一小部分，并且相較其它可替代的切割方法而言成本也更低，主要因為光纖激光器無需維護成本。但更重要的是，設計的簡單性意味著功率的增加并不會顯著增加耗材，電力損耗或維護成本等。

　　圖2：6kW的LCG AJ光纖激光器使用氮氣能夠以200IPM的加工效率加工1/4英寸的低碳 鋼，而6kW的CO2激光器每分鐘的材料切削率為110–120英寸。

　　事實上，提高功率的限制因素主要圍繞著提高激光二極管和模塊，同時保持高品質(zhì)的激光束的能力。這么做，功率得以增加，從而能夠?qū)Ω竦牟牧线M行快速加工。今天，6kW的光纖激光器使用氮氣能夠以200IPM的加工效率加工1/4英寸的低碳鋼。如果你還記得，6kW的CO2激光器每分鐘的材料切割率僅為110–120英寸。

　　因此，我們可以假設，光纖激光器急劇增加的功率是受到市場的強力驅(qū)動。光纖激光器與其它類型的下料法如等離子切割和水射流技術相比也更理想，因為光纖激光器可有效地切割厚板，其波長也有利于切割銅等獨特的材料(圖3)。

　　圖3：光纖激光器能夠有效切割銅等獨特的材料

　　如今，光纖激光器的切割頭僅配置少量的光學部件，再加上一個切割噴嘴。光纖激光器的運行成本通常介于每小時1-3美元之間，取決于這些成本所包含的加工元素以及它們的計算方式。隨著第一代光纖激光器綜合能力的提升，使得光纖激光器幾乎成為當前所有下料工藝的一種具有吸引力的替代解決方案。

　　考量要素

　　當然，還有些附加點必須注意，高功率的光纖激光正努力在制造過程中維持均勢。很多人可能會認為這些都是“積極”的層面，但它們?nèi)孕枰玫礁嗟囊?guī)劃。一臺6kW功率的光纖激光機的速度顯著要高于4kW和2kW的光纖激光機，同時加工速度也超過任何CO2激光機系列產(chǎn)品。如果在生產(chǎn)線中融入等離子切割和水切割單元，這臺一體機在相同或更少的占地面積條件下，其生產(chǎn)能力將是之前的工藝操作的二倍甚至三倍。

　　這種超負荷生產(chǎn)的能力已經(jīng)迫使制造商重新考慮物料處理和折彎操作等下游加工工藝。一個平衡的生產(chǎn)流程管理系統(tǒng)可以通過一臺高性能的機器得到輕易改變，這往往意味著， 接下去的資本投資可能需要集中在折彎工藝， 例如自動換刀折彎機和機器人技術等領域。那么就材料處理來說又是如何的呢?這些都是之前沒有被認真考慮的問題，但毋庸置疑，高功率的光纖激光器將提高生產(chǎn)線整體的生產(chǎn)能力?！?/p>

　　圖4：光纖激光器加工厚型板件的示例

　　綜上所述，高功率光纖激光器已經(jīng)通過不斷地發(fā)展和進化迅速找到了其在制造行業(yè)的位置。與低功率產(chǎn)品相比，它們的操作性能一樣便利。相比同等功率范圍的CO2激光器，光纖激光器任何額外的資金投入都可以通過其顯著提高的產(chǎn)能和更低的運行成本得到抵消。此外，光纖激光器加工厚板(圖4)的能力也使其成為等離子切割和水切割等工藝的理想的替代解決方案。

　　行業(yè)已漸漸揭開了光纖激光技術這層朦朧的面紗，光纖激光器已經(jīng)儼然成為攻克小批量訂單和高產(chǎn)能之間空間日益縮小的難題的高效(落料)解決方案，能夠向生產(chǎn)商提供高功率、更高的產(chǎn)量、更低的成本、更大的靈活性以及更高的利潤。