CO₂ 激光器与光纤激光器：您需要了解的一切

1.0在 CO₂ 激光器和光纤激光器之间进行选择

激光源的核心作用： 每个激光系统的核心都是激光源。该组件通过激发光粒子并将其聚焦成束来产生激光束。

常见激光源类型及其优点： 目前最广泛使用的两种激光源是CO₂激光器和光纤激光器。每种激光器都具有独特的性能优势。选择合适的激光源可以显著提高加工效率、精度和灵活性。

CO₂ 激光切割与光纤激光切割在金属加工中的应用： 制造业的专业人士长期以来一直在争论哪种技术更适合金属切割。一些人青睐久经考验的二氧化碳系统，而另一些人则青睐光纤激光器带来的现代优势。

选择激光源的关键因素： 这两种激光器类型的主要区别在于它们的波长和光束传输方式：

• 光纤激光器：专为金属切割而设计，它们在较短的波长下工作，因此可以高效切割多种金属。
• CO₂ 激光器：更广泛的材料兼容性，非常适合通过正确的设置切割非金属材料和某些金属。

2.0什么是二氧化碳激光？

CO₂ 激光器是用途最广泛、应用最广泛的激光器之一，因其广泛的材料兼容性而备受青睐。它们通过蒸发材料进行切割和雕刻，尤其适用于非金属基材。

工作原理：
二氧化碳激光器的工作原理是激发混合气体——主要是二氧化碳 (CO₂)、氮气 (N₂) 和氦气。电场激发氮气分子，氮气分子通过共振将能量传递给二氧化碳分子。二氧化碳分子随后发射光子，产生激光束。氦气有助于将二氧化碳分子重置到基态，从而实现持续输出。

激光特性：

• 波长：~10.6 微米；属于中远红外光谱。
• 输出： 高效激光产生。
• 设计： 结构简单，生产成本低。
• 功率范围： 可从毫瓦到千瓦调节。
• 光束质量： 提供连续、稳定的峰值功率。
• 可扩展性： 通过延长激光管可以增加输出功率。
• 调制： 通过旋转镜进行 Q 开关可以实现更高的脉冲功率。
• 进步： 射频激励二氧化碳激光器等变体可提供更好的功率、寿命和效率。

CO₂ 激光器特点：

• 系统类型： 兼容多种 CO₂ 激光系统格式。
• 定制： 具有多种功率级别和工作区域尺寸。
• 材料灵活性： 支持多种基材。

负担能力： 较低的初始成本使其成为一种经济高效的雕刻选择。

可加工材料：

• 切割和雕刻： 塑料、丙烯酸、木材、纸板、纸张、织物、橡胶。
• 仅雕刻： 玻璃、陶瓷、石材、涂层金属。裸露的金属通常无法直接加工，可能需要使用标记喷雾或涂层。

典型应用：

• 标牌和展示制造
• 亚克力切割和雕刻
• 定制礼品和玩具个性化
• 奖杯及奖品制作

3.0什么是光纤激光器？

光纤激光器采用稀土掺杂光纤作为增益介质，专为金属打标和高对比度塑料应用而设计。它们在 CO₂ 激光器无法胜任的任务中表现出色，速度快、功耗低，并且几乎无需维护。

工作原理：
光纤激光器采用单片结构，通过激发掺杂光纤（例如镱）来产生光。激光能量在光纤腔内被放大，并经布拉格光栅反射，产生准直光束，并通过透镜聚焦到材料表面。

光纤激光器的优点：

• 维护： 长期内几乎无需维护。
• 尺寸： 紧凑且易于集成。
• 稳定： 光束质量高，噪音和闪烁低。
• 成本： 低于相同功率输出的同类系统。
• 环境： 在多变的温度和工业条件下表现良好。
• 速度与力量： 切割速度快，可用功率水平可达 12kW 或更高。

光纤激光切割技术及优势

光纤激光器发射高度聚焦的光束，在金属中具有出色的吸收率，因此特别适合金属切割。其低反射率和高效的光束传输性能在许多金属应用中均优于CO₂激光器。

• 材料适用性： 适用于不锈钢、铝、黄铜和铜。
• 切割厚度： 能够切割厚度超过 1 英寸（25 毫米）的金属板，在厚度低于 0.5 英寸（12.5 毫米）时性能最佳。
• 辅助气体： 使用氮气或氧气有助于提高除渣效果、切割速度和边缘质量。
• 功耗： 运行成本仅为 CO₂ 激光器的一半至三分之一。
• 切割速度： 比传统 CO₂ 系统快 5 倍。
• 维护： 密封的光学系统最大限度地减少了清洁和镜头更换。
• 生产率： 提高产量并降低每个零件的生产成本。

光纤激光器的主要特点

• 直接标记： 能够雕刻和标记无需喷雾或涂层的裸露金属。
• 耐用性： 使用寿命长（至少25,000小时）。
• 旋转轴： 可选的旋转附件可以在圆柱形或锥形表面上进行标记。

可加工材料：

• 金属： 铝、青铜、铜、金、铂、银、不锈钢、钛。
• 塑料： ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、PMMA（丙烯酸）、激光标记添加剂。

典型应用：

• 促销品标记
• 高对比度塑料打标
• 直接零件标记
• 条形码和铭牌雕刻

4.0了解 CO₂ 激光器与光纤激光器之间的主要区别

5.0二氧化碳激光器与光纤激光器：哪种技术更安全？

激光安全风险： 无论何种类型，激光辐射（无论是直接照射还是反射）都可能对人眼和皮肤造成严重危害。为了降低此类风险，激光系统会根据潜在的生物风险进行分类，并强制贴上安全标签，具体规定如下： BS EN 60825-1（IEC 60825-1）。该标准概述了激光类别和相应的发射限制：

• 第 1 类：在正常操作下是安全的，即使长时间直接观察或通过放大镜或望远镜等光学仪器观察也是安全的。
• 2M类： 发出可见辐射；通常短期肉眼接触是安全的，但如果通过光学辅助设备观看可能会造成伤害。
• 第四类：即使是漫反射，也存在造成眼睛和皮肤受伤的高风险；还存在火灾隐患。

激光切割系统的安全措施

尽管 光纤激光器 本质上 4级 由于其高输出功率，大多数光纤激光切割系统的设计都满足 1级安全标准 通过强大的保护功能：

• 联锁系统： 如果检修面板或外壳门未牢固关闭，则自动禁用激光发射，防止意外暴露。
• 保护观察窗： 专用激光安全玻璃可保护操作员免受激光照射，同时允许进行目视监控。玻璃必须根据激光功率、焦距和光束特性进行评级。

CO₂ 激光器安全特性

• 开放式设计： CO₂ 激光机通常采用开放式顶部配置。即使反射，光束也会被显著散射，从而降低造成严重伤害的可能性。
• 经济有效的保护： 使用的安全玻璃通常是半透明的，成本较低，在提供足够的保护的同时还能保持操作员的可见性。

光纤激光器安全注意事项

• 认证要求： 购买光纤激光设备时，确保激光源和整个系统都 CE认证，确认符合国际安全标准。
• 增强遏制： 由于波长较短、能量密度较高，光纤激光器需要更严格的屏蔽和外壳设计，以防止危险暴露，即使在高功率水平下也是如此。

6.0CO₂ 激光器与光纤激光器：哪个更节能？

功耗比较：

在能源效率和可持续性方面，光纤激光器比二氧化碳激光器具有显著优势。

CO₂ 激光效率： 6kW CO₂ 激光器的电气效率约为 10%，通常需要约 60kW 的输入功率。

光纤激光器效率： 光纤激光系统的运行效率约为 45%（最高可达 50%），仅需约 13kW 的输入即可实现相同的 6kW 输出。

随着激光输出功率的增加，对冷却系统的要求也随之增加。CO₂ 激光器需要消耗更多能量来维持适当的冷却，因此与光纤激光器相比，其电力成本更高。

此外，烟雾抽吸和过滤所需的功率取决于机器尺寸和切割床面积。更高的切割功率会增加抽吸系统的负荷。

结论： 光纤激光切割机消耗的能量明显较少，从长远来看可以节省可观的成本，特别是在大批量或长时间的生产环境中。

7.0CO₂ 激光器与光纤激光器：资本投资对比

虽然 初始购买价格 光纤激光切割机的效率通常高于 CO₂ 激光器， 更快的切割速度—尤其适用于薄材料—提高生产效率。结合 降低功耗，纤维系统有助于降低每个零件的成本。

自动化能力：
CO₂ 和光纤激光系统均支持高水平自动化，包括：

• 无人值守制造
• 自动喷嘴更换器
• 自动对焦镜头系统

这些功能减少了人工干预和停机时间，从而提高了效率。虽然更高的自动化程度会增加前期成本，但它可以显著减少因操作员失误造成的停机时间，并提高长期投资回报率。

影响激光系统成本的因素：

• 激光功率
• 切割区域尺寸
• 自动化水平

典型价格范围：

• 二手工业二氧化碳系统：150,000 英镑及以上
• 新型工业光纤激光系统：27.5万英镑至55万英镑，有些甚至超过100万英镑

虽然由于固体激光技术的进步，光纤激光器的价格正在逐渐下降，但二氧化碳激光器的价格仍然相对稳定。

8.0CO₂ 激光器与光纤激光器：维护和运营成本

维护要求：
光纤激光器所需的维护比二氧化碳激光器少得多，这主要是由于光束传输系统的差异。

• 光纤激光器： 使用密封光纤电缆将激光束直接传输至切割头。封闭的光路消除了污染风险。
  • 消耗品： 主要是喷嘴和防护窗
  • 典型维护时间： 每周少于30分钟
• CO₂ 激光器： 依靠带有多个镜子和波纹管的铰接臂来引导光束。
  • 维护需求： 镜子和波纹管容易积尘和磨损，需要定期清洁和更换
  • 机械磨损： 波纹管运动可能导致针孔和错位
  • 热效应： 激光产生的热量会使镜子变形，导致光束错位，需要重新校准
  • 损坏风险： 光束反射可能会损坏振荡器等昂贵的元件
  • 典型维护时间：每周 4-5 小时

光束对准：

准确的光束对准对于保持一致的切割质量至关重要。

• CO₂ 激光器： 涉及多个镜子；重新调整复杂且耗时。
• 光纤激光器： 仅需要调整一次镜头；对准快速而简单。

9.0CO₂ 激光器与光纤激光器：切割速度对比

切削性能概述：
在加工薄材料（8 毫米以下）时，光纤激光器的切割速度比二氧化碳激光器快得多，在不锈钢应用中优势最为明显。

1 毫米厚度： 光纤激光器切割约 速度快 6 倍 比 CO₂ 激光器更有效。

5 毫米厚度： 速度差距缩小至 2×.

功率缩放： 增加约 2 千瓦的激光功率可以提高薄材料的切割速度 2至3次.

在同等功率条件下，随着材料厚度的增加，CO₂ 激光器的切割速度可以接近（在某些情况下甚至超过）光纤激光器。然而，这种优势相对有限，并且 高功率 CO₂ 激光器（6kW 以上）不太常见 在工业环境中。

相比之下，光纤激光器在多种材料厚度上仍然有效，特别是在 高功率系统，其速度和效率始终表现优异。

笔记： 最佳切割速度不仅应通过速度指标来评估，还应通过 耗材寿命 和 辅助气体效率 确保具有成本效益的运营。

切割速度对比表（6kW 激光器与 170A 等离子切割机）

注意：所示速度反映的是直线切割性能。实际切割中，涉及复杂几何形状或嵌套布局时，有效速度可能会降低。机器的加速和减速能力也会影响整体产量。

边缘质量比较

CO₂ 激光器：

CO₂ 激光器拥有更大的光束光斑尺寸，非常适合切割各种厚度的材料。更大的光斑能够产生更平滑的边缘效果，尤其是在材料厚度增加的情况下。切割边缘的质量会随着材料厚度的增加而提高，因此，当边缘平滑度对较厚材料有关键要求时，CO₂ 激光器是首选。

光纤激光器：

光纤激光器的光束直径较小，因此能够在薄材料上实现窄切口和高速切割。聚焦光束可增加能量吸收，从而实现快速高效的加工。

然而，在切割较厚的材料时，光纤激光器的光束主要影响切割区域的顶部。激光必须依靠多次内部反射才能到达切口底部，这可能导致：

表面处理更粗糙

边缘有细条纹

提高辅助气体压力要求，以有效排出熔融材料

因此，在处理厚部分时，切割边缘的质量可能不如 CO₂ 激光器，尤其是在需要极少后处理的应用中。

10.0CO₂ 激光器与光纤激光器——材料加工对比表

11.0光纤激光器与二氧化碳激光器：您应该购买哪种以及为什么？

在 CO₂ 和光纤激光切割机之间进行选择

如果您计划购买激光切割机，但不确定是选择二氧化碳激光器还是光纤激光器，了解这两种技术之间的差异将有助于您做出明智的决定。

清楚了解每种激光器类型的优势和局限性将有助于明确哪种激光器更适合您的特定需求。

11.15mm不锈钢切割对比

• CO₂ 激光切割 5mm 不锈钢样品
• 光纤激光切割5毫米不锈钢样品

（在此插入图表或对比照片）

11.2选择激光切割系统的关键因素

选择合适的自动化激光切割系统需要全面评估您当前的应用、需求、限制条件和未来发展计划。主要考虑因素包括：

• 材料类型和厚度
• 加工精度
• 生产效率
• 采购预算
• 运营成本

11.3技术比较与结论

虽然 CO₂ 激光技术已非常成熟，并且在切割许多非金属材料方面仍然具有优势，但光纤激光器可以提供高达 切割速度提高 5 倍 薄金属（8 毫米以下），可减少约 50%.

更高的生产率和更低的总体拥有成本使光纤激光器成为行业内的变革力量。

11.4激光技术关键性能比较

12.0CO₂ 激光器与光纤激光器——常见问题

什么是二氧化碳激光？
CO₂ 激光器通过激发 CO₂ 气体分子产生激光，波长约为 10.6 微米。它适用于切割和雕刻各种非金属材料，是目前应用最广泛的激光器类型。

什么是光纤激光器？
光纤激光器采用稀土掺杂光纤（通常为镱）作为增益介质，波长较短，约为1.064微米，专为金属切割和打标而设计，效率高，维护方便。

CO₂ 激光器和光纤激光器的主要区别是什么？

波长： CO₂ 激光器的工作波长为 10.6 微米，光纤激光器的工作波长为 1.064 微米。

材料适用性： CO₂ 激光器擅长处理非金属材料，而光纤激光器则针对金属切割进行了优化。

效率与维护： 光纤激光器的能源效率更高，维护更简单；二氧化碳激光器的功耗更大，需要的维护也更复杂。

哪种激光更适合切割金属？
光纤激光器波长较短，吸收效率较高，非常适合切割各种金属，尤其是薄金属板（<8 毫米），具有更快的切割速度和更低的能耗。

CO₂ 激光器有哪些优势？
CO₂ 激光器支持多种材料（塑料、木材、丙烯酸等），结构更简单，前期成本更低，并且能够在非金属材料上进行高质量的切割和雕刻。

运营成本差别大吗？
光纤激光器的能效大约是二氧化碳激光器的 4 到 5 倍，从而显著降低功耗和维护成本，从长远来看更经济。

哪种激光更安全？
两者都是高功率激光器，需要采取严格的安全措施。大多数激光切割系统的设计均符合1级激光安全标准，确保操作安全。

光纤激光器维护复杂吗？
维护简单，主要涉及清洁喷嘴和保护窗，每周维护时间通常不到 30 分钟。

CO₂ 激光器维护困难吗？
维护较为复杂，需要定期清洁后视镜和波纹管。每周维护可能需要4到5个小时。

购买成本有显著差异吗？
光纤激光器通常初始投资较高，通常是CO₂激光器的数倍。然而，其更高的效率和更低的运营成本可以随着时间的推移收回投资。

光纤激光器适用于塑料和有机材料吗？
一般不推荐使用。光纤激光器更适合加工含有激光敏感添加剂的金属和塑料。

 

参考

www.researchgate.net/publication/335334467_The_Analysis_of_Fiber_and_CO_2_Laser_Cutting_Accuracy

https://www.xometry.com/resources/sheet/co2-laser-vs-fiber-laser/

https://www.tubeformsolutions.com/blog/tube-bender-7/fiber-vs-co2-laser-cutting-understanding-the-differences-448