光纤激光器与CO2气体激光器在应用中的对比

光纤激光器与CO2气体激光器在应用中的特性对比：

2014.06

一、激光加工应用现状

目前，在激光金属加工领域，主要以激光切割、焊接和表面处理为主。所采用的激光器主要有大功率CO2激光器、固体激光器和光纤激光器。如果从波长来分，就是10.6µm波长的激光器（CO2激光器）和1.06µm波长的激光器（固体激光器和光纤激光器）两类。从应用的角度来说，实际上就是这两类不同波长激光器的市场细分。

从历史上看，CO2激光器应用时间最为悠久，使用维护技术最为成熟，市场拥有量也最大。以轴快流CO2激光器和射频板条CO2激光器为主流的激光器在切割装备中一直处于垄断地位，至今仍占最大市场份额。从结构上看，CO2激光器由于有真空密封和气体循环环节，因此体积较大，维护点较多。固体激光器和光纤激光器在这方面占优。从光束传输上讲，1.06µm波长激光器可以通过光纤传导，在实际应用，特别是三维加工中比较便利。从光束质量上讲，光纤激光器和CO2激光器较好，固体激光器较差。

材料对不同波长激光的吸收率是明显不同的。有机材料和木质材料等非金属材料对CO2激光的吸收率就明显高于1.06µm波长激光器，因此，CO2激光器一直垄断着这方面的加工应用。

光纤激光器为最新一代激光器，代表着激光器发展的潮流，广泛应用于各种板材乃至有色金属的加工。

二、光纤激光器和CO2激光器在加工应用中特性的对比

1、产品特性的对比：

光纤激光器产品的主要特点CO2激光器产品的主要特点

1电光转换效率高达25%-30%电光转换效率较高，可达21%-25%

2极其出色的脉冲功率/能量稳定性，输出功

率稳定度：±2%

能量稳定性高，输出功率稳定度：±2% 3寿命长：泵浦源使用寿命>10万小时使用寿命长：良好的维护，可使激光器

工作长达10年以上

4加工速度快加工速度快

5光束模式好；TEM00光束模式好；TEM00+01

6风冷紧凑型结构设计主要是水冷方式

7以半导体光纤作激光发生介质，无需激光发

生气体

需要CO2,N2,He激光工作气体

8体积小，重量轻，免维护体积和重量均较大，需要定期维护

9产品购置成本较高产品购置成本较低

10主要应用于薄板碳钢、不锈钢等金属材料的切割加工和焊接。主要应用于薄板以及中厚板碳钢、不锈钢等金属材料的切割加工和焊接。

11可通过光纤传输，易于控制，进行多维加工

应用

不可通过光纤传输，导光系统较复杂。

2、从激光在材料中的吸收率的变化，对的种激光器的加工性能进行分析：

图：CO2激光器和光纤激光器切割不同厚度钢板时，

材料对不同波长激光的吸收率曲线

首先比较一下光纤激光器与CO2激光器在不同板厚的加工应用中，对光能的吸收效率：上图是德国一家权威激光研究所对不同激光类型的光束在不同板厚中的吸收率的研究结果。

从上图中可以明显看出：(1)针对三种不同的聚焦直径50、100和200µm的激光束，随着板厚的增加，光纤激光的材料吸收率分别在0.8、1和2mm板厚处达到最大值后，就急剧下降，而CO2激光的材料吸收率随板厚增加而增加，当板厚大于5mm后，材料吸收率趋于饱和，始终维持在0.4以上；（2）对50µm和100µm聚焦直径，当板厚超过1.3mm 和2.8mm左右时，光纤激光的材料吸收率就开始低于CO2激光的材料吸收率，50µm和100µm焦斑的光纤激光材料吸收率在4.4mm和5mm板厚处就分别下降到0.2和0.3以下，远低于CO2激光超过0.4的材料吸收率。而200µm焦斑的光纤激光的材料吸收率在厚度超过5.5mm后也开始低于CO2激光的材料吸收率。这意味着：在5mm以内的薄板切割中，光纤激光材料吸收率较大，切割速度和效率较高，但在5mm以上厚板切割中CO2激光占有明显优势。

三、对两种激光器在加工应用中的综合分析

1、维护成本

光纤激光器在其保质期内，即免费维护期内（1-2年内），它的维护成本是较低的。但如果我们把考查时间拉长到10年。在保修期之外，特别是使用4-5年以后，由于光纤激光器的一些关键零件（比如导光光纤，放大光纤）有使用寿命的限制。并且这些关键零件的更换成本非常高，换一次，就会大大是提高光纤激光器的平均维护成本。维修的复杂程度也将会大大增加。

而轴快流CO2激光器发生的维护费用在它的使用过程中较平均，设备的稳定性也高，

现场维护也较简单。

在两者的维护成本这方面，我们有一个很形象的比喻。光纤激光器与CO2气体激光器进行跑步比赛，在短跑比赛中，光纤激光器占优；在中长跑比赛中，两者情况相近；而在长跑以及马拉松的比赛当中，则CO2气体激光器则可后来居上。

结论：短期（2年内）光纤激光器的维护成本确实较低。而长期来看，气体激光器的平均使用和维护成本并不一定比光纤激光器高。

2、切割加工效率

由于在薄板切割加工中，光纤激光器的能量吸收率较CO2激光高一些，而在切割厚板时，光纤激光器的能量吸收率比CO2激光低很多。

使用一般的普通加工机床，在薄板领域（小于4mm），光纤激光器具有一定的优势，加工效率较气体激光器高；但在中厚板，特别是10mm以上的金属板材加工中，CO2气体激光器的加工效率较有优势；光纤激光器的光束聚焦点太小，光束太细，不利于厚板切割时的排渣，同时，对于其激光的波长，在中厚板的加工过程中，加工件对光束能量的吸收率较低，因此切割效率及质量均下降。甚至无法完成厚板的切割。

因此，光纤激光器对气体激光器市场的冲击主要是在中小功率，针对切薄板（板厚小于4mm）的金属切割领域。目前对于普通的激光加工机床，光纤激光器的加工效率的优势确实很明显。但在高速激光加工机床中，相对于能使用大功率进行薄板切割的高速激光加工机床，光纤激光器的加工效率的优势就已经不太明显了。因为以类似的购置成本，用户可以购置比光纤激光器功率高得多的CO2气体激光器，比如与2000W光纤激光器类似的价格，用户可以购买4000W的轴快流CO2激光器，配上高速激光切割机床，对薄板的切割效率就与光纤激光器的效率差不多了。

结论：只要机床的技术能跟上，相同成本的光纤激光器和气体激光器的加工效率在薄板中的区别并不是很大。

3、激光加工系统的通用性

大部分装备光纤激光器的切割系统只适用于较薄板材的切割，无法覆盖中厚板的切割要求。而在板厚大于5mm的中厚板的切割加工中，光纤激光器的优势并不明显，并且加工质量逐步下降，甚至完全不能完成对12mm以上的厚板的切割。

而轴快流CO2激光器的切割加工范围很大，能胜任从1mm薄板到25mm以上厚板的所有切割任务。

结论：轴快流CO2激光器比光纤激光器的切割加工范围更广。