CO2、光纖激光及直接半導(dǎo)體激光器誰將勝出？

　　Iccsz訊 本文將對比CO2激光器、光纖激光器及直接半導(dǎo)體激光器在金屬材料切割速度及質(zhì)量方面表現(xiàn)，驗(yàn)證了直接半導(dǎo)體激光器材料加工的應(yīng)用潛力。

　　切割速度提升

　　過去10年間，光纖激光器之所以逐步取代CO2激光器，最主要原因是在同等功率水平下，光纖激光器的切割速度是CO2激光器的2到3倍。相較于10.6μm波長的CO2激光器，大多數(shù)金屬材料對于1.08μm波長具有更高的波長吸收率也能說明這一點(diǎn)。如圖1所示：

圖1 不同金屬對相關(guān)波長吸收情況，970nm直接半導(dǎo)體激光器比

　　光纖激光器具有更高的波長吸收率

　　最新的研究進(jìn)展表面，直接半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)可以通過二極管直接切割金屬，從而較少了光纖激光器和碟片激光器系統(tǒng)多帶來的復(fù)雜性及高成本。光纖激光器和碟片激光器系統(tǒng)都需要增加額外的組件和增益介質(zhì)以達(dá)到足夠高質(zhì)量的光束用于材料加工。因此，對比直接半導(dǎo)體和光纖激光器切割系統(tǒng)成為可能，同時(shí)也成為2015年各大展會及研討會討論的主題之一。結(jié)果表明，直接半導(dǎo)體激光器在提升金屬切割速度方面具有可行性，特別是在鋁材料加工方面，圖2展示了鋁材料對于970nm二極管波長具有更強(qiáng)的吸收率。在1KW直接半導(dǎo)體激光器導(dǎo)入50μm光纖(BBP值為2.5mm-mrad)情況下，對比于1.08μm光纖激光器(二者在工件表面具有相似的光斑尺寸)，直接半導(dǎo)體激光器切割速度可以提升1倍。

圖2 相似BPP值(2.5mm-mrad)及光斑尺寸下，對比1KW直接半導(dǎo)體激光器(970nm)和光纖激光器(1060nm)

　　盡管不那么激動(dòng)人心，其他金屬切割速度也有10-20%的提升。例如圖3中展示的碳鋼切割速度對比，其中2KW光纖激光器和2KW直接半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)具有相似的光斑尺寸，采用氧氣作為輔助氣體。對比光纖激光器典型切割速度范圍，直接半導(dǎo)體激光器初始數(shù)據(jù)具有一定優(yōu)勢。同時(shí)，也能將切割范圍延伸到更厚的材料，直接半導(dǎo)體激光系統(tǒng)在15mm厚度時(shí)仍能保持高切割質(zhì)量，而光纖激光系統(tǒng)只能做到12mm厚度，這一點(diǎn)在圖4中有所展示。直接半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的這一特性在其他材料中也得到了驗(yàn)證。切割質(zhì)量的作用我們將在下一節(jié)中詳細(xì)討論。

　　圖3 碳鋼材料2KW直接半導(dǎo)體激光器和2KW光纖激光器切割速度對比(BLM集團(tuán)提供)

　　在切割高反射材料方面，通過降低材料反射敏感度，直接半導(dǎo)體激光系統(tǒng)也能帶來加工效果的提升。減少反射光束對激光器的損害，也是光纖激光器不得不考慮的問題，因?yàn)閾借O光纖對反射光非常敏感，需要傳感器來保護(hù)激光器免受損害。通過這種方式使得銅、黃銅和其他高反材料加工成為可能，但是反射光對光纖激光器或多或少都有損害。相反，通過采用N2作為輔助氣體，直接半導(dǎo)體激光器加工銅材料避免材料反射問題，同時(shí)也為終端用戶提供了更好的材料光潔度加工效果。

圖4 2KW直接半導(dǎo)體激光器切割12mm和15mm碳鋼質(zhì)量對比切割質(zhì)量提升

　　光纖激光器在加工厚金屬材料時(shí)保持高的切割質(zhì)量相對困難，這一點(diǎn)已經(jīng)被廣泛認(rèn)知，所以我們強(qiáng)調(diào)更多的是光纖激光器的高切割速度。也正是由于這個(gè)原因，更多終端客戶仍采用CO2激光器生產(chǎn)線以解決厚金屬高加工質(zhì)量要求。一些研究表明，直接半導(dǎo)體激光器在降低厚金屬材料表面粗糙度方面具有一定優(yōu)勢。M. Wood對于這一點(diǎn)也做了重點(diǎn)介紹，圖5中展示了2KW CO2激光器和直接半導(dǎo)體激光器在切割4mm以上低碳鋼材料表面粗糙度對比情況。通過對比我們可以看出，直接半導(dǎo)體激光器加工的材料表面粗糙度穩(wěn)定性更高。

圖5 CO2和直接半導(dǎo)體激光器切割低碳鋼表面粗糙度對比

　　以我們的經(jīng)驗(yàn)判斷，影響厚金屬材料切割表面粗糙度的主要因素是激光光源的光束質(zhì)量，需要匹配最好切割質(zhì)量和最佳切割速度。有別于光纖激光器只能通過切換高低BPP值來改變光束質(zhì)量，我們研究表明，最佳BPP值應(yīng)該是連續(xù)可變的函數(shù)，視材料及厚度而定。之前我們就指出在不影響切割質(zhì)量的情況下速度可提升50%，通過在不銹鋼材料切割中從4mm-mrad到10mm-mrad最優(yōu)化BPP值。

圖6 通過最優(yōu)化激光光源BPP值，我們發(fā)現(xiàn)了降低表面粗糙度的因素。

　　目前直接半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)4到20 mm-mrad BPP值的連續(xù)變化。

　　總結(jié)：

　　通過提高插頭效率，改進(jìn)可靠性和穩(wěn)定性，使得直接半導(dǎo)體激光器成為企業(yè)材料加工利器，同時(shí)也能降低制造成本。最新研究表明，直接半導(dǎo)體激光器可用于金屬材料切割，而不僅僅是作為復(fù)雜及高成本的光纖激光器和碟片激光器的泵浦源。這一點(diǎn)在2015年多個(gè)公司的具體應(yīng)用中已經(jīng)得到驗(yàn)證。直接半導(dǎo)體激光器提升切割速度及質(zhì)量，有別于其他技術(shù)的BPP值優(yōu)化，可進(jìn)一步提升終端應(yīng)用的加工工藝。我們希望未來進(jìn)一步研究，能夠提升直接半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用潛力!(FRANCISCO VILLARREAL SAUCEDO，BIEN CHANN，BRYCE SAMSON，and PARVIZ TAYEBATI)