萬瓦級激光切割機(jī)的新技術(shù)及其應(yīng)用

自激光技術(shù)誕生以來，激光切割的市場容量一直處于激光加工領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。激光切割曾經(jīng)被CO2激光技術(shù)主導(dǎo)幾十年，從1995到2005年，是進(jìn)口CO2激光切割機(jī)在中國市場應(yīng)用的黃金十年，也是激光切割這一高新技術(shù)逐步被廣大鈑金加工用戶認(rèn)識并接受的啟蒙期。在此之后，國內(nèi)激光設(shè)備制造廠商紛紛進(jìn)軍激光切割領(lǐng)域，資金和核心技術(shù)的巨大門檻將大多數(shù)投資者擋在了門外，少數(shù)擁有核心技術(shù)的合資公司及擁有巨大資金實(shí)力的上市公司突出重圍，在激光切割設(shè)備制造領(lǐng)域逐步站穩(wěn)腳跟。從2006～2016年，國產(chǎn)激光切割機(jī)逐步替代進(jìn)口設(shè)備，占領(lǐng)了國內(nèi)市場的主導(dǎo)地位。部分優(yōu)秀企業(yè)開始進(jìn)軍國際市場，并逐漸成為國際市場的主角。

激光切割進(jìn)入高功率時代

2012年以后，光纖激光切割工藝嶄露頭角，并在隨后幾年以摧枯拉朽之勢將CO2激光切割技術(shù)逐步替代，特別是在2015年之后，光纖激光切割功率的升級更是達(dá)到了日新月異的地步。國內(nèi)激光設(shè)備制造同行紛紛跟隨激光切割功率的上升，在很短的時間內(nèi)開發(fā)出高功率激光切割設(shè)備，大有你追我趕之勢，將我國激光切割市場共同推向高功率時代。

為什么激光切割一直在向高功率段攀升？最后要到多少瓦才觸頂？萬瓦級激光切割機(jī)到底有哪些技術(shù)優(yōu)勢？長期應(yīng)用是否穩(wěn)定？給當(dāng)下鈑金加工行業(yè)帶來了哪些改變？對此，作為國內(nèi)引導(dǎo)高功率激光切割機(jī)技術(shù)與市場的主要制造商，奔騰激光給出了自己的觀點(diǎn)和看法。

萬瓦級激光切割機(jī)的技術(shù)突破

（1）與高功率激光器匹配的機(jī)床必須是高動態(tài)性能的高速機(jī)床。更高的激光功率意味著更快的運(yùn)行速度和加速度。奔騰激光推出的搭載萬瓦級光纖激光發(fā)生器的“閃電機(jī)床”，其橫梁及驅(qū)動設(shè)計是在意大利SmartCea中心的支持下重新研發(fā)設(shè)計的，利用Nastran Sol200 Protocol系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析，設(shè)計出的新款三角形結(jié)構(gòu)橫梁，其特點(diǎn)是：重量減輕30%，動態(tài)性能明顯提升；最大移動速度可達(dá)到200m/min，加速度為4g的動態(tài)響應(yīng)特性。底座更新設(shè)計后，增加重量約為20%，改變機(jī)床固定方式，消除高加速度運(yùn)動對機(jī)床沖擊力的影響。

（2）全新軟件Smart Manager 4.0。軟件及控制系統(tǒng)就像機(jī)床的大腦及指揮中心，機(jī)床運(yùn)行的精度、效率除了硬件升級帶來的紅利之外，整機(jī)性能的差異主要來自于軟件及控制系統(tǒng)的不同，且往往差異巨大。奔騰激光為了配合高功率光纖激光切割的應(yīng)用，目前設(shè)備使用的切割軟件為4.0版本，它具有如下特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)速度高達(dá)100m/min的穩(wěn)定切割；電容式傳感器的響應(yīng)速度比傳統(tǒng)的切割頭提高了3倍；Z軸速度提升，運(yùn)行無停頓，且更為流暢，薄板切割效率提升25%以上；提升蛙跳功能的效能；改進(jìn)了加速度自適應(yīng)功能；完善了快速穿孔與精密穿孔功能以及遠(yuǎn)程診斷功能；為客戶企業(yè)實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”預(yù)留了智能接口等。

（3）激光切割頭是實(shí)現(xiàn)在高功率連續(xù)工作狀態(tài)下長期穩(wěn)定切割的關(guān)鍵。與普通切割頭相比，它需要更嚴(yán)實(shí)的密封性及更充分的冷卻措施，更加廣泛的焦點(diǎn)范圍及更耐高溫的鍍膜鏡片。由于高功率的熱透鏡效應(yīng)，切割頭在長時間工作時光束存在焦點(diǎn)漂移的現(xiàn)象，克服焦點(diǎn)漂移是高功率激光切割設(shè)備的一個重要難點(diǎn)，萬瓦級激光切割機(jī)使用了更新的氣路設(shè)計及新型噴嘴，提升了厚板切割速度及切割穩(wěn)定性。此外，更安全可靠的床身熱能防護(hù)也是需要重新考慮的因素。除了主機(jī)床及控制系統(tǒng)等軟硬件方面的升級之外，大量與之配套的設(shè)計與改進(jìn)，以及更為完備的切割工藝技術(shù)研究等都是高功率激光切割設(shè)備必須攻克的技術(shù)要點(diǎn)。

對鈑金加工行業(yè)的改變

首先是提升了不同板材切割加工的厚度范圍，在CO2激光切割時代，激光的最大功率限制在6000W以內(nèi)，早期光纖激光切割板材的厚度也局限于碳鋼20mm以內(nèi)，不銹鋼12mm以內(nèi)，更厚的材料還是采用精細(xì)等離子、線切割或水刀切割等傳統(tǒng)加工工藝。萬瓦級光纖激光切割對鈑金加工領(lǐng)域首當(dāng)其沖的革命性改變，就是對不同材料可加工厚度的不斷提升：鋁合金板材可達(dá)40mm，不銹鋼板材可達(dá)50mm，隨著12kW和15kW光纖激光切割機(jī)的陸續(xù)推出，材料切割的厚度極限還會繼續(xù)被打破，厚板的加工價格會進(jìn)一步降低，因此會觸發(fā)更多厚板領(lǐng)域的激光切割應(yīng)用，如造船、核電、國防等。由此形成一個良性循環(huán)，結(jié)果是促進(jìn)激光切割的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。

除了切割厚度的提升，萬瓦級激光切割在中薄板領(lǐng)域的切割效率也是倍數(shù)級提升。在切割厚度為3～10mm的不銹鋼板材時，10kW激光切割機(jī)的切割速度是6kW的兩倍以上；同時10kW激光切割機(jī)在碳鋼的切割應(yīng)用中，可以達(dá)到18～20mm/s的快速亮面切割，是普通標(biāo)準(zhǔn)切割速度的兩倍；還可以用壓縮空氣或氮?dú)馇懈?2mm以內(nèi)的碳鋼，切割效率是氧氣切割碳鋼的速度的六到七倍。高功率激光切割薄板效率的提升速度大大超越了人們過去的想象，這也是高功率激光切割機(jī)深受鈑金市場歡迎的主要原因。從經(jīng)濟(jì)效益的角度來分析，一臺10kW激光切割機(jī)床的價格比6kW機(jī)床價格高出不到40%，但單位時間產(chǎn)出效率卻是6kW設(shè)備的兩倍以上，而且節(jié)省了人工和場地，受到激光加工企業(yè)老板的青睞。

工欲善其事，必先利其器。激光加工的微利時代已經(jīng)來臨，意味著對主要生產(chǎn)工具——激光切割機(jī)的效率及性能要求越來越高，現(xiàn)在已經(jīng)不再是那個將部件拼湊起來能切就能賺錢的時代了，激光切割加工的市場總值會越來越大，但加工價格會進(jìn)一步走低，手握利器才能在激烈的市場競爭中勇立潮頭。由于市場的拉動，一些激光企業(yè)開始進(jìn)軍高功率激光設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)，但不是每一家企業(yè)都可以做好的。顧客在選擇高功率激光切割設(shè)備時，需要慎重考量：除了切割速度和精度外，特別要檢驗滿功率連續(xù)切割時的穩(wěn)定性和一致性，機(jī)床的速度匹配能力，機(jī)床控制的先進(jìn)性及精度壽命等。不能像購買小功率激光切割設(shè)備那樣，簡單比較價格因素就可以了。高功率意味著高投入，高投入蘊(yùn)含著高風(fēng)險。客戶在進(jìn)入這個高回報市場時，一定要認(rèn)識到其風(fēng)險性。

——節(jié)選自《鈑金與制作》2017年第12期P46-48頁