高功率工业CO2激光器及其发展状况分析.doc

高功率工业CO2激光器及其发展状况分析摘要：本文首先对近两年的全球激光加工领域的市场状况进行了比较分析。随后，通过比较材料对几种常用的不同波长的工业激光器（尤其是CO2激光器和光纤激光器）的激光吸收率差异，明确了这几种激光器各自的应用特点和市场定位，对终端用户理性选择激光器配置有较大的帮助。特别是径向偏振激光器的出现，进一步巩固了CO2激光器在激光加工装备制造中的主流地位。最后，对国外激光加工领域出现的一些新技术和发展趋势进行了描述，对我国激光加工装备制造行业的发展有一定的启示作用。 一、全球市场分析（市场总量、各种激光器份额、发展势头）据今年4月美国Industrial Laser Solutions杂志报道1，2009和2010年全球不同用于类别激光器的销售收入如图1所示。其中用于金属加工的激光器的销售收入分别为9.14亿美元和10.68亿美元，远远大于激光标刻和微加工等应用的销售收入，占激光器销售总额的72%。图1 2009和2010年全球不同用于类别激光器的销售收入而在2010年10.68亿美元的金属加工领域的激光器销售收入中，CO2激光器占有高达68%的绝大部分份额（见图2），固体激光器和光纤激光器仅分别占21%和11%。图2 用于金属加工领域的各类激光器的销售比值金属加工中激光器的销售收入如表1所示，全球工业激光器销售收入如表2所示。从中可以看出：CO2激光器在金属加工中的销售仍牢牢占住着垄断地位，仅几年出现的光纤激光器的销售不到CO2激光器销售的1/6。同时可以看出：CO2激光器的销售收入一直比较平稳，波动不大，而光纤激光器的销售势头远没有人们原先所估计的那样迅猛，发展速度开始放缓，呈显出饱和趋势。表1 金属加工应用中激光器的销售收入（百万美元）表2 全球工业激光器销售收入（百万美元）激光钣金加工在激光系统销售中占有最大的份额。图3展示了激光钣金切割机销售对工业激光系统销售的影响。从中可以看出：激光钣金切割机销售在工业激光系统销售中占有主导作用；2011年全球激光钣金切割机的销量将达到4000台，比2010年的3500台销量增加了14.3%。图3 激光钣金切割机销售对工业激光系统销售的影响图4为2010年工业激光系统全球装配量。中国成了激光加工装备制造最活跃的市场，东亚（中国大陆、台湾和韩国）的贡献越来越大，取得了与欧洲相同的市场份额。2011年估计激光器的增长为16%，激光系统的增长为14%， CO2激光器和光纤激光器将在金属加工领域享有两位数的增长。到2011年底，工业激光将重回2008年的鼎盛水平。图4 2010年工业激光系统全球装配量二、不同波长的工业加工激光器的市场定位目前，在金属加工领域，主要有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 um波长激光器（CO2激光器）和1um波长激光器（固体激光器和光纤激光器）两类。从市场竞争的情况来看，实际上可归纳为两种不同波长激光器之争。从历史上讲，CO2激光器应用时间最为悠久，使用维护技术也最为成熟，市场拥有量也最大。目前，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，1um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。图5 不同波长激光的材料吸收率随板厚变化的对应关系由于材料对不同波长激光的吸收率明显不同，因此导致了这几种激光器在金属加工领域的细分定位。来自德国University of Technology Dresdenhe和Fraunhofer Institute IWS的研究结果澄清和明确了前几年市场上混乱的舆论误导2。图5为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。从中可以明显看出：(1) 针对三种不同的聚焦直径50、100和200um，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50um和100um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，50um和100um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超过0.4的材料吸收率。而200um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。德国Trumpf公司的Gerdard Hammann和Beyer等人给出了1um波长光源和10um波长光源切割品质的评估结果3，4：1um波长激光的切割质量远低于CO2激光的切割质量（图6）。图6 光纤激光和CO2激光切割不锈钢断面质量的比较2011年第4期Industrial Laser Solutions1也明确指出：尽管目前光纤激光器的发展势头很猛，但在加工4mm以上板材时，CO2激光器优势明显。由于激光加工站通常希望能提供各种不同厚度的切割服务，因此CO2激光器将牢牢保持这一部分市场份额，尽管许多公司现在开始提供光纤激光切割机，但CO2激光切割机仍是其主打产品。虽然光纤激光器在薄板切割中速度更快，但同样的加工服务，2kW的CO2激光也能很好满足，不过，前者的设备价格却远高于CO2激光器的价格。因此，用户在购买激光切割机时，要根据自己的财力情况和加工业务情况做出理性选择。三、CO2激光器新技术涌现CO2激光器一般都是线偏振光输出，即理论上的p偏振光或s偏振光（如图7）这种线偏振光的材料吸收率具有方向选择性，随着加工运动方向的不同，材料对激光的吸收率不同，从而带来加工质量的差异而无法满足实际需求（图8）。为此，一般通过外加特殊的光学镜片来将线偏振光束转换成园偏振光束（图9），园偏振光束是p偏振光和s偏振光的混合平均，对应于图7中的虚线。这种园偏振光束由于对运动方向不敏感，因此可保证各个方向上的加工质量，在实际应用中正得到广泛的使用。图7 钢材对激光的反射率与激光入射角的关系曲线图8 线偏振光偏振方向对切割效果的影响图9 线偏振光转换成园偏振光传统而成熟的CO2激光器随着激光技术的进步又焕发出新的活力。1999年俄罗斯的Niziev教授等人提出了一种产生高功率径向偏振光束的新方法，随即引发了该领域的研究热潮5。2007年，Trumpf公司和斯图加特大学在实验上实现了千瓦级径向偏振CO2激光输出6。目前，理论和实验研究已表明：这种新的径向偏振CO2激光束具有比目前普遍应用的园偏振激光束更高的材料吸收率，不仅在厚板切割领域更加牢固地奠定了其垄断地位，即使在薄板切割领域也具备和光纤激光相抗衡或超越的实力。从理论上讲，线偏振光束的偏振特性随时间是恒定的，且对方向敏感；而园偏振光束的偏振特性随时间是变化的，但对方向不敏感；径向偏振光束的偏振特性随时间也是恒定的，同时对方向也不敏感7。如图10所示。图10 几种偏振光的特性对比目前，高功率径向偏振激光通常是通过具有偏振敏感性和光栅结构的腔镜直接产生，如图11所示。径向偏振光束有一个典型的特征：其偏振方向始终过原心且绕轴对称分布。如图12所示。图11 高功率径向偏振激光的产生图12 径向偏振激光理论光场分布图13 径向偏振CO2激光产生装置2007年，Trumpf公司在图13所示的轴快流激光器装置上实现了3kW径向偏振CO2激光输出6。其烧斑和偏振方向如图14、15所示，中心场强为零，环状对称分布，偏振方向始终过原心，这是典型的径向偏振光特征。在2011年的慕尼黑光电展上获悉：Trumpf公司已开发出5kW径向偏振CO2激光器，并开始投入使用。图14 径向偏振激光烧斑形状图15 径向偏振激光偏振方向表3为园偏振光与径向偏振光一些特性参数的对比8。在相同的条件下进行激光切割，径向偏振光R-TEM01*比圆偏振光TEM00的有效吸收率要高2倍，切割深度与切割速度的乘积值提高了1.52倍。表3 园偏振光与径向偏振光一些特性参数对比由于CO2径向偏振激光比圆偏振激光的材料吸收率要高2倍，这就意味着CO2径向偏振激光不仅在厚板切割加工比光纤激光更具优势，而且在薄板切割加工中，也可以与光纤激光相比拟，甚至更具优势。如图5中方点所示虚线即为50um焦斑时径向偏振CO2激光材料吸收率随材料厚度的理论变化曲线，从薄板到厚板，均远高于所对应的光纤激光材料吸收率。图16 径向偏振光束切割速度比较图17 径向偏振光束切割端面质量比较Trumpf公司的Hamman等人进行了径向偏振光束切割试验3,4，结果表明：这种新颖的径向偏振光束在切割速度和切割质量上均具有明显的优势，切割速度提高50%，切面粗糙度降低50%。如图16、17所示。四、CO2激光应用新趋势1.激光加工装备向更高激光功率发展图18为行业龙头德国Trumpf所推出的3维15kW的轴快流CO2激光加工系统9, 引导了激光加工装备领域的未来发展方向。图18 Trumpf公司3维15kW的轴快流激光加工系统图19为德国Trumpf公司已用于世界上许多大型船厂的生产线上的12kW-20kW轴快流CO2激光器，可大大提高船舶的有效载荷，并大幅度减低制造成本。图19 Trumpf公司12kW以上轴快流CO2激光器在船厂的应用日本的Kawasaki重工等造船企业也已经安装了高功率激光平板切割系统。德国的Meyer Werft也安装了四台12KW的CO2激光器，用来焊接不同长度的船体加强杆。瑞士Bystronic公司推出的Byspeed Pro和Bystar切割机均配备了6kW轴快流CO2激光器10。如图20所示。图20 Byspeed Pro激光切割机及6kW激光器激光加工制造业的数据表明：目前4kW以下功率档次轴快流激光器为主流配置的激光切割设备呈现出向6kW以上激光功率发展的趋势，有些厂家宣称，激光功率越高，所能加工的对象越多，板材越厚，速度越快，使用成本越低，综合利润空间要大3040%以上。2.通过外光路提高光束质量光束质量是影响加工质量的重要因素，随着加工幅面的不断扩大，光束质量显得越来越重要。利用外光路来改善光束质量成为目前本行业的通行做法。图21采用扩束系统来缩小激光发散角，延长激光加工的可用有效光程，在飞行光路激光加工中得到广泛应用。图21 扩束系统图22采用可变形镜来实时改变激光焦点的位置，可增加穿孔速度，并可在不更换聚焦镜的情况下适应不同板厚的金属板材的加工。图22 焦点调控系统图23采用恒光路加工系统使激光达到每个加工点的光程相同，从而保证各点的加工质量一致。图23 恒光路系统3.通过大小轴、扫描镜等复合运动系统提高加工速度图24、25为焦点调控和扫描辅助的复合加工系统。在激光切割头上采用扫描镜完成局部加工，可以与加工机的x-y大范围运动系统进行配合，在加工拐角处不用减速，可大幅提高激光切割的速度。图24 扫描镜加工系统4.多功能复合激光加工机，提高加工效率图26为德国Trumpf公司推出的高达12kW的多功能轴快流激光切割、焊接和表面处理复合加工设备9，加工能力和赢利能力大大增强。图25 可实现焦点调控和扫描的复合加工系统图26 Trumpf 12kW多功能轴快流激光切割、焊接和表面处理复合加工设备五、结论目前，传统的高功率轴快流CO2激光器仍是高功率激光切割加工装备中的主流配置，虽然在薄板切割加工中被迅速崛起的光纤激光器蚕食了一部分市场份额，但具有同样功能的相应CO2激光器的价格却比光纤激光器要低廉得多。因此，用户需要根据自己的资金情况和加工业务情况做出理性的选择。而且，从全球范围来说，光纤激光器的市场仅为CO2激光器市场的1/6左右，这表明中厚板激光切割加工仍是目前的绝大部分应用市场。另外，随着千瓦以上径向偏振CO2激光器的出现，不仅更加牢固地确立了CO2激光器在中厚板切割中的垄断地位，而且在薄板切割加工中，也将比光纤激光具有更高的材料吸收率，这将彻底改变园偏振CO2激光在与光纤激光竞争中的不利局面，在薄板切割领域形成与光纤激光相抗衡的格局，由于具备最佳的性价比优势，甚至可能夺回被光纤激光所蚕食掉的薄板切割市场。至于在激光加工装备的制造方面，则体现出向更高激光功率、更高光束质量、更高加工速度和功能多样化等方向发展的趋势，目的在于追求更高的加工效率和更大的利润空间。 摘自：OFweek激光网( / )参考文献：1.David A. Belforte， “2010年度激光行业经济回顾与展望”工业激光解决方案， 2011.42.A Mahrle and E.Beyer，Theoretical aspects of fibre laser cutting ，2009 J. Phys. D: Appl. Phys. 42 175507 (9pp)3.G.Hammann, Laser cutting with CO2 lasers-The Benchmark, Stuttgart Laser Technology Forum, Stuttgart, Germany, 4-5 March,2008.4.T.Graf etal, Laser development on beam shaping for high power lasers, Stu