淺析福建大功率激光切割機能否是未來的趨勢？

        隨著重工業(yè)的不斷發(fā)展，激光切割技術(shù)從薄板切割向厚板大尺寸切割方向發(fā)展，激光切割逐漸進入大功率時代。新時代工業(yè)制造對金屬板材切割精度、速度、厚度提出了新的要求，激光切割機可實現(xiàn)的功率越來越高。從工業(yè)的發(fā)展來看，大功率激光切割機是一定階段的必然產(chǎn)物，也是行業(yè)發(fā)展的大勢所趨。

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序言

在金屬板材加工領域中，激光切割機的優(yōu)勢非常凸顯，因精度高、速度快、質(zhì)量好等優(yōu)點，已逐漸取代傳統(tǒng)的加工工藝，成為金屬板料切割的核心設備[1]。從激光切割機興起，到光纖激光切割機取代YAG、CO2等機器，再到大功率激光切割機的不斷推出，對于切割厚板和切割效率來說，大功率的設備已經(jīng)是大勢所趨。

近年來，大功率激光切割機成了激光切割領域的熱門話題，眾多企業(yè)不斷推出萬瓦級以上的光纖激光切割設備。對于鈑金加工行業(yè)來說，大功率切割設備的誕生，大大提升了鈑金切割的厚度和效率。這種大功率切割機的出現(xiàn)，不斷打破材料切割厚度的級限。由此帶來的加工厚板價格降低，形成一個良好的循環(huán)，促進激光切割應用領域的進一步擴大。

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大功率激光切割機的簡介

（1）大功率切割機介紹

激光切割機可根據(jù)功率分為小功率、中功率和大功率。對于厚度一般的不銹鋼和碳素鋼，小功率激光切割機就可以進行良好的切割。而對于切割厚板和切割效率來說，大功率的激光切割機可以很好的實現(xiàn)。因此，激光器功率在萬瓦級以上的激光切割機統(tǒng)稱為大功率激光切割機（見圖1）。

（2）光纖激光器功率的規(guī)格

針對激光切割金屬板材厚度的不同，大功率切割機上所選的光纖激

光器的功率規(guī)格也不同，從目前發(fā)展趨勢上來看，在金屬加工市場中，各大中小型企業(yè)逐漸升級到多種規(guī)格，見表1。

（3）使用氣體的規(guī)格

在大功率激光切割機工作時，為保障切割的精度、切割的速度、切割斷面的效果等諸多優(yōu)勢，對所使用的氧氣純度要求較高，一般要求純度為99.99%。

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大功率激光切割機的特點

3.1 技術(shù)突破

（1）高動態(tài)性能的高速切割機床

搭載萬瓦級光纖激光器的機床，采用新款的三角形結(jié)構(gòu)橫梁，其特點：①重量減輕30%，動態(tài)性能明顯提升。②較大移動速度可達到200m/min，加速度為4g的動態(tài)響應特性。③底座增加了重量，約為20%，改變機床固定方式，消除高加速度運動對機床沖擊力的影響。

（2）全新的軟件系統(tǒng)

軟件及控制系統(tǒng)就像機床的大腦及指揮中心，機床運行的精度、效率除了硬件升級帶來的紅利之外，整機性能的差異主要來自于軟件及控制系統(tǒng)的不同，且往往差異很大。

（3）可實現(xiàn)速度達100m/min的穩(wěn)定切割

①電容式傳感器的響應速度比傳統(tǒng)的切割頭提高了3倍。②Z軸速度提升，運行無停頓，且更為流暢，薄板切割效率提升30%以上，提升蛙跳功能的效能，改進了加速度適應功能。③完善快速穿孔與精密穿孔功能以及遠程診斷功能，為實現(xiàn)“工業(yè)4.0”的功能預留了智能接口[2]。

3.2 切割頭特點

大功率切割頭在高功率連續(xù)作業(yè)的情況下是確保切割穩(wěn)定的核心部件，具有以下特點：①大功率切割頭有著密封性更好和冷卻更充分的冷卻系統(tǒng)、應用范圍更加廣泛的焦點和耐高溫的鏡片。②大功率熱透鏡效應的影響，切割頭在長時間的工作下，光束會有焦點漂移的現(xiàn)象發(fā)生，為了克服焦點漂移的問題，大功率切割頭采用了新的氣路設計結(jié)構(gòu)及更換了新結(jié)構(gòu)的噴嘴，從而來提高切割的速度及切割的穩(wěn)定性。

3.3 大功率激光切割能力

（1）切割厚板的厚度不斷提升

目前大功率激光切割機切割鋁合金板材厚度可達40mm，不銹鋼板材厚度可達130mm，隨著大功率激光切割機技術(shù)的不斷升級，切割材料的厚度還會不斷增加，加工厚板的價格會逐漸降低，并加快促進大功率激光切割機在厚板領域中的應用[3]。

（2）切割中薄板的效率倍增

①切割厚度為3～10mm的不銹鋼板材時，10 000W激光切割機的切割速度是6000W的兩倍以上。②10 000W激光切割機在碳素鋼的切割應用中，可以達到18～20mm/s的快速亮面切割，是普通標準切割速度的兩倍。③可以用壓縮空氣或氮氣切割12mm以內(nèi)的碳素鋼板，切割效率是氧氣切割碳素鋼速度的6~7倍。

3.4 床身特點

（1）設備配備了chao強承重的機械結(jié)構(gòu)

大功率切割機都配備了鑄鐵床身，采用較低抗拉強度200MPa的片狀石墨鑄鐵一體澆鑄成形，含碳量、抗壓強度、減振性以及耐磨性等都有大幅度的提高（見圖3）。

（2）鑄鐵床身的特性

①床身具備良好的潤滑性能、耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性，減少因床身振動帶來的加工誤差。②降低設備在使用時的損耗，提高穩(wěn)定性系數(shù)30%以上，提高質(zhì)量精度30%以上，提高床身壽命達70年以上。

3.5 自動更換噴嘴

（1）手動更換噴嘴模式

切割中根據(jù)切割材料的厚度及材質(zhì)需要更換噴嘴，多年來一直采用人工手動更換噴嘴的形式，這樣不僅效率低下，需要技術(shù)人員重復勞動，而且難以保障更換后的精度和穩(wěn)定性。如何高，效、快速地更換噴嘴，并保障每次更換都萬無一失并保持精度，是激光切割領域的一個技術(shù)難題。

（2）自動更換噴嘴技術(shù)

大功率激光切割機應用了噴嘴自動更換的功能。可實現(xiàn)噴嘴的自動更換、激光頭的標定、噴嘴全自動清洗等功能，降低了人工重復勞動量。噴嘴自動更換時在觸摸屏上操作相應的命令即可實現(xiàn)。自動更換噴嘴技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

1）降低勞動強度，保障了更換噴嘴時的定位精度和工作穩(wěn)定性。

2）配套了完善的控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)根據(jù)不同的材質(zhì)和不同的板厚自動更換噴嘴的型號和規(guī)格，減少了由人工來更換的時間，從而提高了生產(chǎn)效率。

3）自動更換噴嘴為全封閉式的防護裝置，為噴嘴設備和人身安全提供了很好的保障。

3.6 閃電穿孔及級限小孔成形

（1）閃電穿孔

穿孔時間短，熱聚焦能量小，起刀點穩(wěn)定，保持隨動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以保障達到較佳的切割效果。閃電穿孔優(yōu)點見表2。

（2）級限小孔

激光切割行業(yè)，一直認為板材的厚度即為切割小孔的較小直徑，大功率激光切割機可以實現(xiàn)較小孔的直徑為板厚的0.15倍，甚至更小，如圖4所示。

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大功率激光切割機的優(yōu)勢

（1）高速度

激光切割速度已chao過20m/min，加工切割機的兩軸移動速度可以達到250m/min，加速度在運行過程中已經(jīng)達到10g左右。

（2）高精度

1mm厚的板材中?10mm左右的小孔，每分鐘可以切割500個左右。在切割過程中這些小孔之間的誤差非常小。

（3）向厚板方向發(fā)展

大功率激光切割機的功率逐步加大，相應切割的厚板尺寸也不斷增加。

（4）向大尺寸方向發(fā)展

激光切割技術(shù)的加工尺寸范圍也在不斷加大，激光切割技術(shù)已經(jīng)開始朝著大尺寸的方向發(fā)展。

（5）自動無人化

激光切割技術(shù)的自動無人化具有發(fā)展的必要性和緊迫性。①計算機網(wǎng)絡技術(shù)的應用促使激光切割技術(shù)實現(xiàn)了自動無人化。②市場對這種技術(shù)的應用需求也不斷增大，促使激光切割技術(shù)要實現(xiàn)全自動無人化。

（6）智能化

按照工業(yè)4.0的技術(shù)要求，緊跟智能制造的步伐。采用準確的圖形識別技術(shù)，簡單的操作工序，便捷的人機智能交互，實現(xiàn)了激光器與計算機控制、數(shù)控技術(shù)、光學系統(tǒng)、高精度和自動化定位裝置等結(jié)合起來，將自動排料、切割工藝數(shù)據(jù)庫、遠程故障診斷、遠程控制等集成為一體，滿足大批量及復雜零件加工的需要[3-4]。

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結(jié)束語

（1）大功率設備發(fā)展

激光切割作為切割加工中非常理想的加工手段，代表著現(xiàn)代金屬加工技術(shù)的發(fā)展方向。大功率激光切割機目前也正在向著高速度、高精度、大幅面、三維切割及特種材料切割等領域進行關(guān)鍵性技術(shù)研究和發(fā)展，從而促進大功率激光切割的技術(shù)發(fā)展來滿足日益增長的市場需

求。

（2）大功率設備選擇

一些企業(yè)在選擇大功率激光切割設備時，需要慎重考慮：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，機床的速度匹配能力，機床控制的先，進性及精度壽命等。不能像購買小功率激光切割設備那樣，簡單比較價格因素。大功率意味著高投入，高投入蘊含著高風險。企業(yè)在進入這個高回報市場時，一定要認識到其風險性。