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CO2激光器的未来与主要应用场景

二氧化碳(CO2)激光器由C.Kumar N.Patel于1964年在贝尔实验室发明,它又可叫做玻璃激光管,是目前连续输出功率较高的一种激光产品,广泛应用于纺织、医疗、材料加工、工业制造等领域,尤其是在包装喷码,非金属材料切割,医疗美容等行业有着独特的应用。

CO2激光器技术至1980年代基本成熟,在后面二十多年里广泛应用于工业加工,包括金属切割、各种材料打标、雕刻,以及在汽车、造船和航空航天等的焊接、熔覆加工等。目前工业用的CO2激光器波长主要为10.64μm,输出为红外光。它的电光转换效率普遍能达到15%至25%,对比固体YAG激光器已经有不错的优势;它的波长范围决定光束能够很好让钢铁金属、有色金属、贵金属、非金属等多种材料吸收,其适用材料范围比光纤激光器还要广。

由于当前激光加工,最重要的开发应用仍然是金属材料加工,自2010年以来的光纤激光器在国内外掀起了热潮,特别是在金属加工上取代部分CO2切割的市场。这给一些人带来很大的误导:那就是CO2激光器过时了,作用不大了。其实这种想法是大错特错的。

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CO2激光器作为技术最成熟、最稳定可靠的光源类型,在工艺开发上也是非常成熟的,即便是今天,在欧洲、美国仍然看到CO2激光的许多应用。许多天然和合成材料在CO2激光器跨越的9-12μm光谱范围内具有强的特征吸收,所以在材料处理和光谱分析中有许多机会。CO2激光器的的光束属性决定了其仍然会有独特的应用潜力。本文主要介绍CO2的几种常见应用。

金属材料加工

在连续光纤激光器流行以前,金属板材加工基本上是高功率CO2激光器一统天下,曾记得在2012年某展会上,已经有厂家隆重发布4KW的CO2切割机,可切割板材厚度超过20mm,一时间震撼业界。如今时过境迁,动则采用万瓦级光纤激光器切割超厚板材,在钢板切割上,确实CO2切割已被光纤切割替代了大部分,但不代表它已经消失,目前包括大族激光智能装备、普睿玛智能、大族粤铭、百盛激光、奔腾楚天等一些厂家还可以提供金属CO2切割机,还有切管机,以供客户选用。

光纤激光由于其较细的光斑易于切割,但在焊接方面成为其缺点。特别是厚板材连接,高功率的CO2激光器比光纤激光器更有优势。尽管几年前人们开始采用光束摆动克服光纤激光的缺点,但是仍然比不过CO2激光光束。在欧洲的客中客车、德国的迈尔造船厂等许多厚板加工上,早就是CO2激光的应用了。

除了钢铁材料焊接,近些年像铬锰合金钢以及铝合金等不好焊接的材料也开始出现,这些材料有的熔点高,有的对光的反射率高,这样就要求了焊接时的激光功率较高。比如国内的奔腾楚天就在2015年研发了6KW的CO2激光焊接系统,并成功交付给中车使用。

材料表面处理

CO2激光器用于表面处理主要体现在激光熔覆,如今虽然也可以用半导体激光来做,但是在高功率半导体激光出现之前,激光熔覆基本上也是CO2激光的天下。激光熔覆广泛用于模具、五金、矿山机械、机械转轴、航空航天、海工装备乃至民用新产品等工业领域。CO2激光器相对于半导体激光器有着巨大的价格成本优势,CO2激光熔覆目前也是备受欢迎的一个选项。如今国内的大族金石凯、沈阳大陆激光等是专业从事CO2激光熔覆的企业。

布料纤维的加工

在金属加工上,CO2激光面临了光纤激光、半导体激光的挑战,因此未来CO2激光的应用重点很可能是非金属材料的应用。包括的领域非常多,玻璃、陶瓷、布料皮革、木材、塑料、聚合物等。

在这方面表现出色的是位于广州的创可激光,该公司是专业从事激光打标设备的企业,推出了超级CO2激光打标机系列,用于木制品、皮具、布料的打标、雕刻和镂空等工艺,具有特色的是实现了在牛仔布料的洗水、雕花等先进工艺。另外广州的汉马激光等也是长期从事CO2激光切割布料、雕刻木材的设备,类似的企业还有东莞的大族粤铭、雷宇激光等。光博士在多年前就已经推出了木板激光切割机,该公司还主营数十种中小功率CO2激光切割、打标设备,可见市场需求仍然很大。

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特殊领域定制应用

CO2的光束性质为其的定制特殊领域应用提供了很大的可能性,比如聚合物、塑料、陶瓷的加工。CO2激光器对ABS、PMMA、PP等聚合物材料可实现高速切割。采用先进的CO2激光器,经过优化光学模式和光路设计,形成更完美的光斑,可减少热影响区域,切割出高品质的手机薄膜产品(PET保护膜、显示面板)。CO2激光切割技术的特有优势,使之比UV激光切割技术更适合薄膜精密切割,也更能满足IT业精密加工的需要。

医疗应用

90年代后出现了以超脉冲CO2激光治疗机为代表的高能量脉冲医疗设备,并得到成功的应用,使得要求较高的应用领域得到突破性进展,特别是激光美容方面独占鳌头。发展前景十分广阔。  据了解,二氧化碳激光辅助深层巩膜切除术,简称CLASS,属于非穿透性、非结膜下滤过泡依赖手术,通过小梁网、深层巩膜和脉络膜引流房水降低眼压。这一革新性的术式,术中术后并发症少;非滤过泡依赖性,无术后应对瘢痕化问题;手术简单、学习曲线短,容易掌握,临床实用性强。

CO2激光的工业制冷

当前我国每年CO2激光器仍然保有超过十几亿的市场需求量,在材料切割、焊接、打标、雕刻、表面处理等领域均有大量的应用。CO2激光采用的是气体作为介质,无论是金属腔体射频激励还是玻璃管的设计,内部元部件对热影响都比较敏感,因此高精度的冷却是保护设备、维持更长工作寿命的必备。由于气体容易导致不稳定,精准冷却也有助于保证出光功率稳定。

广州特域机电有限公司是国内一家专业从事激光用冷却设备的厂家,拥有近20年的研发、设计与生产经验,每年向全球输送超过7万台激光冷水机。特域机电在CO2激光制冷设备上占据全国最大的市场份额,在CO2激光冷却应用上拥有最多的经验。

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CW-5200T系列是特域最新推出的节能型激光冷水机,其温控精度可达±0.3°C,具有智能调温和恒温两种模式,设计体积紧凑,特别适用于100-150W的CO2激光管的冷却,目前已广泛应用于中小功率CO2非金属激光加工设备上。

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