大功率激光切割機及其應用

武亞鵬

庫珀（天津）科技有限公司 天津 301700

1 序言

在金屬板材加工領域中，激光切割機的優勢非常凸顯，因精度高、速度快、質量好等優點，已逐漸取代傳統的加工工藝，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，不斷打破材料切割厚度的極限。由此帶來的加工厚板價格降低，形成一個良好的循環，促進激光切割應用領域的進一步擴大。

2 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。因此，激光器功率在萬瓦級以上的激光切割機統稱為大功率激光切割機（見圖1）。

圖1 大功率激光切割設備

（2）光纖激光器功率的規格 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格也不同，從目前發展趨勢上來看，在金屬加工市場中，各大中小型企業逐漸升級到多種規格，見表1。

表1 大功率光纖激光器規格

（3）使用氣體的規格 在大功率激光切割機工作時，為保證切割的精度、切割的速度、切割斷面的效果等諸多優勢，對所使用的氧氣純度要求較高，一般要求純度為99.99%。

3 大功率激光切割機的特點

3.1 技術突破

（1）高動態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構橫梁，其特點：①重量減輕30%，動態性能明顯提升。②最大移動速度可達到200m/min，加速度為4g的動態響應特性。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 軟件及控制系統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的不同，且往往差異很大。

（3）可實現速度達100m/min的穩定切割 ①電容式傳感器的響應速度比傳統的切割頭提高了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“工業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作業的情況下是保證切割穩定的核心部件，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、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象發生，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構及更換了新結構的噴嘴，從而來提高切割的速度及切割的穩定性。

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]。

圖2 切割厚板的工件

（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）設備配備了超強承重的機械結構 大功率切割機都配備了鑄鐵床身，采用最低抗拉強度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）。

圖3 機床的床身

（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，提高穩定性系數30%以上，提高質量精度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 切割中根據切割材料的厚度及材質需要更換噴嘴，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，需要技術人員重復勞動，而且難以保證更換后的精度和穩定性。

如何高效、快速地更換噴嘴，并保證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難題。

（2）自動更換噴嘴技術 大功率激光切割機應用了噴嘴自動更換的功能。可實現噴嘴的自動更換、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。自動更換噴嘴技術具有以下優勢：

1）降低勞動強度，保證了更換噴嘴時的定位精度和工作穩定性。

2）配套了完善的控制系統，能實現根據不同的材質和不同的板厚自動更換噴嘴的型號和規格，減少了由人工來更換的時間，從而提高了生產效率。

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 閃電穿孔及極限小孔成形

（1）閃電穿孔 穿孔時間短，熱聚焦能量小，起刀點穩定，保持隨動系統的穩定性，可以保證達到最佳的切割效果。閃電穿孔優點見表2。

表2 閃電穿孔優點

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

圖4 最小孔切割樣件

4 大功率激光切割機的優勢

（1）高速度 激光切割速度已超過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達到10g左右。

（2）高精度 1mm厚的板材中φ10mm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）向大尺寸方向發展 激光切割技術的加工尺寸范圍也在不斷加大，激光切割技術已經開始朝著大尺寸的方向發展。

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

（6）智能化 按照工業4.0的技術要求，緊跟智能制造的步伐。采用準確的圖形識別技術，簡單的操作工序，便捷的人機智能交互，實現了激光器與計算機控制、數控技術、光學系統、高精度和自動化定位裝置等結合起來，將自動排料、切割工藝數據庫、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]。

5 結束語

（1）大功率設備發展 激光切割作為切割加工中非常理想的加工手段，代表著現代金屬加工技術的發展方向。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鍵性技術研究和發展，從而促進大功率激光切割的技術發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切割時的穩定性和一致性，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。企業在進入這個高回報市場時，一定要認識到其風險性。