文/Ian Wright 

如果要你說出1967年發(fā)生的一項重大事件，顯然你會給出很多答案。

1967年，歌曲愛之夏季（Summer of Love）讓人們看到了“迷幻搖滾”的巔峰；1967年，瑟古德·馬歇爾（Thurgood Marshall）獲得美國最高法院的認可而成為美國歷史上第一位黑人法官；如果你是冰球愛好者，那1967年是多倫多楓葉隊（Toronto Maple Leafs）最后一次贏得斯坦利杯（Stanley Cup）。當然，1967年工程領(lǐng)域也不乏重大事件，包括阿波羅1號發(fā)生太空災難、土星5號運載火箭（Saturn V）首次發(fā)射，以及協(xié)和式飛機（Concorde）的首次亮相。

1967年發(fā)生的另一個事件可以說同樣重要，但這件事并沒有獲得像上述事件那么多的媒體報道。這一年，英國劍橋焊接研究所的副科學主任Peter Houldcroft開始了他的實驗——用氧氣作為輔助氣體，用功率300W的CO₂激光器切割厚度為1mm的鋼板。

這標志著使用激光進行工業(yè)材料加工的開始。50年后的今天，激光切割機已經(jīng)在金屬切割機市場中（還包括等離子、水射流和機械切割機）占據(jù)了最大份額。

什么是激光切割？

簡單地說，一臺數(shù)控（CNC）激光切割機使用相干光束切割材料，材料通常為金屬板材，但也包括木材、金剛石、玻璃、塑料和硅材料。

（圖片來源AMADA）

起初，激光束是通過反射鏡、透鏡等光學元件引導傳輸?shù)�，現(xiàn)在更為常見的是使用光纖傳輸。透鏡將光束聚焦到工作區(qū)域，從而將材料燒蝕、熔化或汽化掉。確切地說，材料所經(jīng)歷的加工過程取決于激光切割的類型。

從廣義上講，激光切割可分為兩種類型：激光熔化切割和激光燒蝕切割。激光熔化切割是先在一定范圍內(nèi)熔化材料，并使用高壓氣流將熔融材料排出，形成一個開放的切口。相比之下，激光燒蝕切割采用脈沖激光逐層去除材料，它像鑿子一樣，只在微觀尺度內(nèi)用激光進行加工，這種方法讓材料蒸發(fā)，而不是熔化。

還有另外兩個關(guān)鍵因素可以區(qū)分激光熔化切割與激光燒蝕切割。

首先，激光燒蝕切割可用于在材料中進行局部切割，而激光熔化切割只能用于切穿整個材料。這是因為熔化切割使用的是連續(xù)激光，或是比燒蝕切割使用更長的脈沖激光（微秒或毫秒Vs. 納秒），這會形成一個穿透金屬整個深度的熔池。這種熔化的材料必須通過氣流切割，否則它會停留在切口處、并在冷卻后將切割邊緣重新連接在一起。

區(qū)分這兩種激光切割的第二個、也是更為重要的因素是速度。“金屬板材切割（占據(jù)了切割行業(yè)的主要部分）通常是切割厚度為0.5~20mm的材料。”IPG Photonics公司高級應(yīng)用科學家Rouzbeh Sarrafi說，“就當前的激光技術(shù)水平而言，激光熔化切割的速度要快得多；相比之下，激光燒蝕切割則需要消耗更多時間。”

（圖片來源IPG Photonics）。

鑒于激光熔化切割在金屬板材切割中的優(yōu)勢，本文將重點研究激光熔化切割技術(shù)。如果想了解關(guān)于激光燒蝕切割的更多內(nèi)容，可以查閱《微米級制造Micron-Scale Manufacturing》這篇文章。

光纖激光器 VS CO₂激光器

兩種最常見的激光切割機類型是：光纖激光切割機和CO₂激光切割機。

CO₂激光器通常使用電磁激勵氣體（通常為二氧化碳、氮氣和氫氣、氙氣或氦氣的混合物）作為活性激光介質(zhì)。相反，光纖激光器（是一種固體激光器）則使用摻有稀土元素（如鉺、鐿、釹或鏑）的光纖作為工作物質(zhì)。正如Houldcroft的實驗所表明的那樣，激光切割行業(yè)是從使用CO₂激光器開始的，并且多年來CO₂激光器一直在激光切割行業(yè)中處于主導地位，目前光纖切割機已經(jīng)占據(jù)金屬材料激光切割市場的絕對主導地位。

（圖片來源Bystronic）

“大約從2010年或2011開始，光纖激光器的銷售額大約占據(jù)了所有激光器銷售額的5%-10%，”AMADA AMERICA公司激光部門產(chǎn)品經(jīng)理Dustin Diehl說，“在次之前，光纖激光器的銷售份額也基本接近這個比例，但它們并未獲得太多關(guān)注，當時人們對這項技術(shù)并不熟悉。隨著客戶開始對光纖激光器給出了滿意的使用反饋，這時候你才真正開始看到光纖激光器的銷售額開始飆升了。到2017年，我們超過90%的切割機銷售額來自光纖激光切割機。”

關(guān)于光纖激光器將要在市場上完全取代CO₂激光器的猜測，可以追溯到一些最早的光纖激光器系統(tǒng)。在過去的十多年間，人們的問題已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變：已經(jīng)從“所謂的面向特定市場的激光切割機是否可能擁有比預期更大的市場？”轉(zhuǎn)向了“光纖激光器能完全取代CO₂激光器嗎？”

即使在很多專家那里，這也是一個有爭議的話題。

“光纖激光器替代CO₂激光器的趨勢將會繼續(xù)，”Bystronic公司激光切割產(chǎn)品經(jīng)理Erich Buholzer說，“潛在地，CO₂激光器將會被完全取代。如果是這種情況，隨著光纖激光技術(shù)的進一步發(fā)展，這種完全取代將發(fā)生在本世紀中期。目前，CO₂激光器仍然具有一些獨特的優(yōu)勢，例如在厚板材切割方面擁有更好的邊緣質(zhì)量和更小的毛刺。”

Diehl的觀點則更加謹慎，但他仍對光纖激光器的前景持樂觀態(tài)度：“光纖激光器會取代CO₂激光器嗎？我不想對此作出大膽的聲明，因為可能有一些應(yīng)用還是要用CO₂激光器，當然我們能用光纖激光器來做的事越來越多，由此我們也發(fā)現(xiàn)，沒有什么是光纖激光器不能做、而CO₂激光器能做的。”

（圖片來源AMADA）

Diehl并不同意Buholzer對光纖激光器在厚材料加工方面的性能評價。

“CO₂激光器在厚板材切割中擁有更好的‘切割邊緣’，這可能是一個古老的誤解，當然這里我們在光纖激光器世界中談?wù)摰?lsquo;古老’，可能也就是幾年前的事。”Diehl說，“當光纖激光器首次問世時，這確實是一個值得關(guān)注的問題，因為當時確實沒有任何技術(shù)能讓光纖激光器獲得像CO₂激光器那樣的邊緣切割質(zhì)量。但是今天，我們已經(jīng)可以用光纖激光器獲得類似的邊緣切割質(zhì)量，即使是切割更厚的材料。”

IPG Photonics公司的Sarrafi對光纖激光器的前景更為樂觀：“由于最近幾年取得的所有發(fā)展，我預計固態(tài)激光器，特別是光纖激光器將會在金屬板材切割應(yīng)用中完全取代CO₂激光器。如果你去逛一逛像FABTECH這樣的展會，你就會發(fā)現(xiàn)，光纖激光器已經(jīng)在金屬切割領(lǐng)域占據(jù)了主導地位。”

激光切割的材料

正如前文提到的，CNC激光切割機已經(jīng)在各行各業(yè)中用于廣泛的材料切割。由于切割金屬板材是最為常見的應(yīng)用，因此值得關(guān)注其所涉及的特殊性。例如，反射率和表面厚度就是兩個最重要的考慮因素。

（圖片來源IPG Photonics）

“反射率是考慮一種材料是否能被切割的主要因素，并且所使用的激光技術(shù)（例如CO₂激光器與光纖激光器）也會有很大的影響，”Buholzer說，“最大切割厚度取決于各種因素，包括激光功率及其應(yīng)用方式。”

關(guān)于反射的問題，Sarrafi補充說：“現(xiàn)代光纖激光器如果具備足夠高的功率和足夠小的光斑尺寸，那么它們已被證明能夠切割所有的反射性材料。”他說，“這是一個關(guān)于高峰值功率和光學設(shè)置的問題。因此，反射率已經(jīng)不再是什么大問題了。”

的確，光纖激光器的發(fā)展已經(jīng)讓激光能切割的金屬材料有了更多選擇，包括銅、黃銅鈦和其他CO₂激光器不適合切割的合金材料。然而，盡管取得了這些進展，但材料厚度仍然對激光切割提出了重大限制。

一般來說，在激光的世界中，2英寸已經(jīng)能夠很好的切割，更厚的材料也成為可能。

激光切割 VS其他工藝

雖然數(shù)控激光切割機在過去的十年中取得了巨大進步，尤其是光纖激光器，但它們并不是市場中唯一的主角。如果您正在為您的應(yīng)用考慮一種新的（或已被使用的）激光切割機，您可以升級舊的激光器，也可以用一種更高效的加工代替較低效的加工。在后一種情況下，常常是激光切割、等離子切割、機械切割和水射流切割之間的博弈。

（圖片來源Bystronic）

“選擇哪種切割方式主要取決于你的產(chǎn)品，只要能滿足要求。”Diehl說，“一般來說，激光器將用在5英寸×10英寸的機器或6英寸×12英寸的機器中。我們習慣的加工范圍為厚度1英寸或以下的低碳鋼。現(xiàn)在，有了更高功率的光纖激光器，我們甚至可以切割厚度2英寸的不銹鋼和2英寸的鋁，這是光纖激光技術(shù)的進步之一。只要加工的厚度不超過20mm，光纖激光器肯定是理想選擇。

激光切割 VS等離子切割

等離子切割使用電離氣體的電加熱通道來切割材料。由于工件本身構(gòu)成了所得到的電路的一部分，所以它必須是導電的。

Fleet Readiness Center Southeast的一臺AMADA數(shù)控光纖激光切割機。

在資金成本、運行成本和速度方面，等離子切割比激光切割更有優(yōu)勢。如上所述，等離子在切割厚板材方面也有出色的表現(xiàn)。然而，數(shù)控激光切割機在靈活性方面更加勝出，因為它們能切割非導電材料，更重要的是具體很好的邊緣質(zhì)量。

等離子切割在零件尺寸公差方面也顯著遜色于激光切割，因為等離子切割的切口寬度大得多。

激光切割 VS 沖壓

本文中提到的機械切割方式，是指利用模具沖壓的加工方式。

平均而言，機械切割比激光切割具有更高的資金成本和更高的操作成本，特別是需要使用復雜模具組進行沖壓的情況。雖然機械切割在最近幾年也取得了重大進展，但是激光切割仍然是更加靈活的切割方式。機械切割的主要優(yōu)勢在于大批量生產(chǎn)。

（圖片來源AMADA）

“如果比較機械沖壓方式和光纖激光切割方式，光纖激光切割方式具有更大的靈活性，但是如果要大批量生產(chǎn)相同零件的話，機械沖壓方式是更經(jīng)濟的選擇。”Sarrafi說道。

在切割的零件質(zhì)量方面，特別是如果工具標識或表面劃痕是應(yīng)用所關(guān)注的一個問題的話，那么激光切割相比于機械沖壓方式的優(yōu)勢，目前尚且存在一定的爭辯性。

激光切割 vs.水射流切割

水射流切割采用高壓水流切割，通常與磨料配合使用。水射流切割的資金成本高于等離子切割、低于激光切割，但它在這三種切割方式中擁有最高的運行成本。

水射流能夠?qū)崿F(xiàn)3D材料切割，并且能夠切割較厚的材料，而激光切割能在切割速度方面勝出，當然水射流切割可以用多噴嘴系統(tǒng)來抗衡激光切割的速度優(yōu)勢。激光切割和水射流切割的邊緣質(zhì)量和切割精度比較接近，但水射流切割略微勝出。

激光切割中的常見錯誤

“從首選激光切割的觀點來看，這里有一點挑戰(zhàn)因素，”Diehl說，“激光切割機是一種非常高科技的設(shè)備，而客戶從過去的等離子切割甚至是舊的機械沖壓方式轉(zhuǎn)向激光切割，多少會面臨一些挑戰(zhàn)。”

（圖片來源IPG Photonics）

與任何新工藝一樣，激光切割也有一條學習曲線。如果你具備使用其他XY軸切割工藝的經(jīng)驗，例如等離子切割，那么一臺CNC激光切割機對你來說應(yīng)該是比較熟悉的。然而，這里仍然有一些新用戶應(yīng)該注意的常見的應(yīng)用工藝辦法。

Sarrafi指出，“典型的切口寬度范圍通常為30~300μm，這取決于激光功率、光學設(shè)置和切割過程。切口寬度是需要在設(shè)計中考慮到的一點。”

另一個常見的加工是微鏈接，這被稱為tabbing。

“激光切割使用高壓氣體（氮氣切割為5~25巴），因此，需要切割的零件要么由自身的重量支撐，如果零件厚度超過2~3mm并且尺寸相對較大的話，這種方法沒問題；但是對于薄而小的零件，為了抵抗氣流的壓力，需要對它們進行固定。”Sarrafi說，“這些微接頭非常小，寬度在0.2~0.4mm，所以它們很容易在后處理中斷裂，但有時必須要用它們將零件連接到框架上，以保證零件不會被吹走。”

（圖片來源Bystronic）

最后一個問題是激光切割機的維護，正如Diehl所說：“對于光纖激光切割機而言，從日常操作的角度來看，有很多細節(jié)需要考慮，比如清潔。噴嘴或鏡頭保護裝置都需要妥善維護，這些都是每天需要處理的事情。“所有這些都暗示了對于激光切割系統(tǒng)而言，配備有能力的合格操作員的重要性。”

“我們看到一些操作員就像我們的內(nèi)部冠軍：他們讓我們看起來很棒，因為他們關(guān)心機器，了解從編程技術(shù)到日常維護的所有工作的重要性。”

高效激光切割的要領(lǐng)

關(guān)于激光切割有一個普遍的誤解，就是效率只是激光功率的問題。這種誤解部分源于CO₂系統(tǒng)的遺留問題，但是光纖激光技術(shù)的快速發(fā)展，使得切割效率不僅僅與激光功率有關(guān)。“雖然原始切割功率正在增加，但仍需要考慮其他因素。”Buholzer說，“從技術(shù)上來講，特別是對于薄材料切割而言，為了充分利用額外的切割功率，也需要增加機械動力學方面的靈活性（加速/減速）。”加速和減速是限制切割效率的一個主要因素。

（圖片來源AMADA）

即使將切割速度翻倍，也不一定就能實現(xiàn)加工周期的等效縮短，因為加工周期主要取決于被切割零件的幾何形狀，正如Sarrafi解釋的：“盡管能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的切割速度，比如每分鐘2000英寸或每秒1英寸，但是對于具有復雜特征的小于2英寸或更小零件的切割周期，其主要限制因素是加速度而不是速度。因為在開啟全速切割之前，必須要將切割頭移動到另一個地方。”

從另一個方面來看，對于大型零件或是形狀不復雜的零件，則能充分享受激光切割的高速優(yōu)勢，因為在這種情況下，加速和減速并不是效率的主要限制因素。“你真正需要的是一個很好的光束傳輸系統(tǒng)來處理需要傳輸?shù)墓β�，包括鏡頭和切割頭等。”Diehl指出。

工業(yè)激光切割

與多倫多楓葉冰球隊不同的是，自1967年以來，工業(yè)激光切割已經(jīng)取得了顯著的勝利。正如CNC激光切割機從當初的只針對特定應(yīng)用而發(fā)展成為主導切割機市場一樣，光纖激光器也從一種小眾技術(shù)，發(fā)展成為類似地主導激光切割機市場。但是在選擇激光切割之前，還有很多因素需要考慮，請記住對于激光器而言，功率不是一切，但也并非無足輕重。