二 ○○七年至二○○八年的冬天，Salvagnini公司開始研究運用光纖激光技術來切割金屬薄片的可能性。和其他公司一樣，這家公司曾花巨資用于制造和行銷CO2激光切割機，但是管理層意識到，CO2激光器正步入成熟的產品階段，難以有技術上的提高，更不會有質的飛躍。Salvagnini認為市場需要一些新的、更好的產品，當公司的研發團隊成員深入鉆研光纖項目后，他們變得非常興奮。

最初的研究是使用IPG Photonic公司的光纖激光器，在切割薄材料時速度前所未有的快，而在切割厚一些的材料時速度相對較慢。CO2激光器在切割最厚的材料時表現仍是最好，但對于金屬薄片加工市場來說，光纖激光技術似乎更適合。除了速度外，光纖激光的操作成本也比CO2激光器低五倍，這對光纖激光切割機的所有者來說，意味著投資回收期縮短，投資回報率更高。在完成初步研究后，前景就明確了——Salvagnini將采用光纖激光器。

第一臺光纖激光切割機

在2008年上半年，該公司的工程師們設計和組裝了公司第一臺使用IPG光纖激光器的光纖激光切割機，結構基于L1 CO2激光系統架構。該機器不需要預熱，不需要激光氣體，也不需要調腔，但由于其1微米波長，該切割機能切割紅銅、黃銅、鋁和鍍鋅鋼等高反射度材料。測試結果證明，2kw光纖激光器的表現幾乎都優于4kw CO2激光器，因而設計師和工程師開始著手構建商業光纖激光切割機。

2008年10月L1Xe光纖激光器在歐洲金屬板材加工技術展覽會（EuroBlech）上被推向世界，在2009年美國金屬加工展（FabTech）上被推向美國市場。Salvagnini公司2009年3月將其第一臺光纖激光切割機裝船，并在隨后的兩年半里在世界各地安裝了130多臺設備。2010年，該公司引進了功率為2kw和3kw的第二代激光系統，不再置于先前的CO2激光機機架上，而是設計了適于光纖激光器的機架，以充分發揮光纖技術的作用。

70%的解決方案

自從激光技術被引入切割金屬薄板，CO2激光器就雄踞市場。但是，光纖激光器在新近銷售中的份額日益增大。相較于CO2激光器，光纖激光器的簡易性顯而易見：采用光纖激光器的機器占地小，激光光源和冷卻系統體積也更小；沒有激光氣體管線，也不需要調校鏡片。而功率為2kw或3kw的光纖激光光源只需要4kw或6kw CO2激光光源能耗的50%就能達到相同的性能，并且速度更快、能耗更低、對環境造成的影響更少。

問題的關鍵在于激光光源。CO2激光光源需要很多能量來激發氮分子來與CO2分子（激光氣體）產生碰撞，促使它們發射光子，最終形成可以割穿金屬的激光束。諧振腔內的分子活動在釋放出光的同時也釋放出熱量，這就需要一個冷卻系統來冷卻激光氣體。這意味著在冷卻過程中要消耗更多能量，進一步減低了能效。

另外一方面，光纖激光器采用固態二極管來泵浦雙包層摻鐿光纖內的分子，受激發射的光多次穿過纖芯，然后形成激光通過傳輸光纖向進行切割的聚焦頭輸出。由于所有分子間的碰撞都發生在光纖內，就不需要激光氣體，因此所需能源大大減少——約為CO2 激光器的三分之一。由于產生的熱量越少，冷卻器的體積就可以相應縮小。總之，在達到相同性能的情況下，光纖激光器的整體能耗要比CO2 激光器低70%。

如何適用于現代車間？

光纖激光設備是極其通用和高效的工作母機，可以適用于各種大小和復雜程度的車間。對于切割各種材料和厚度不一的金屬，Salvagnini 公司的L3（見圖2）和 L5激光切割機（見圖3和圖4）不需要更換激光頭，就能夠切割厚達0.70英寸鋼材、厚達0.394英寸的不銹鋼、0.315英寸厚的鋁材和0.197英寸厚的銅及黃銅。

對于重視速度的企業來說，光纖激光器在切割那些厚度為7至12 Gauge的材料時表現得無可匹敵。例如，在切割厚度為20至22 Gauge低碳鋼時，光纖激光器的切割速度是CO2激光器的兩倍，再配備上L5的CompassTM專利技術激光聚焦頭，切割起來噪音很低，切割面極為光滑。對于厚度超過7至12 Gauge的材料，速度優勢開始消失，直至切割速度與CO2 激光器相差無幾，但光纖激光器的操作成本仍要低一些。

速度和通用性在制造業中至關重要，因為在制造工藝會增加成品的成本。但獲利能力狀況還需要考慮其它成本。例如，Salvagnini光纖激光切割機的總操作成本約為每小時56美分，而典型的CO2 激光切割機的總操作成本為每小時3.19美元。此外，光纖激光切割機不需要校準反光鏡，不需要更換鼓風機，不需要調準諧振腔，不需要更換激光氣體，維護成本幾乎可以忽略不計。一套激光源設備預計可以工作100000小時，這是CO2 激光器諧振器的五倍，且不存在更換成本和故障停工成本。綜合考慮，光纖激光器切割速度是CO2 激光器的兩倍，而成本是其的六分之一，投資回收期為CO2 激光器的70%。

最后，同時也是重要的一點，激光零件得益于極其穩定的光束平臺，能夠保持一貫優良的質量，從而保證切割質量——即使由于金屬表面凹凸不平導致噴嘴和被切割的薄板之間的距離發生變化。由于光纖激光器的光斑尺寸小，切縫嚴密，在實現高速切割的同時也能保證切割質量。這意味著減少了報廢零件，生產出高質量的成品。

金屬薄片切割的未來

2008年還沒有幾家公司看到了（或者不愿意承認）光纖激光切割機的潛力，但隨后許多重要系統制造商們研發了一些的光纖激光切割機。但歷史告訴我們，技術永遠不會停滯不前。固態二極管激光源可以升級，高達50kw的電源組已被組裝用于其它用途，盡管這對于金屬薄片切割來說威力過于強大，因此功率不是問題。還有人努力研發光學方面，以便能切割更厚的金屬片。直到最近，切割薄膜一直是個難題，但是已針對這一問題提出了解決方案，成功在望。隨著技術的改進和能力的提升，光纖激光器在年銷售額上挑戰CO2 激光器只是時間問題。

本文作者Ricky Hansson（電郵：Ricky.hansson@salvagnini.com）是Salvagnini美國公司應用和項目管理副總裁。