万瓦级激光切割机的新技术及其应用

作者简介：屈清娟，销售总监，主要从事高功率激光切割设备的市场及销售工作。

自激光技术诞生以来，激光切割的市场容量一直处于激光加工领域的主导地位。激光切割曾经被CO2激光技术主导几十年，从1995到2005年，是进口CO2激光切割机在中国市场应用的黄金十年，也是激光切割这一高新技术逐步被广大钣金加工用户认识并接受的启蒙期。在此之后，国内激光设备制造厂商纷纷进军激光切割领域，资金和核心技术的巨大门槛将大多数投资者挡在了门外，少数拥有核心技术的合资公司及拥有巨大资金实力的上市公司突出重围，在激光切割设备制造领域逐步站稳脚跟。从2006～2016年，国产激光切割机逐步替代进口设备，占领了国内市场的主导地位。部分优秀企业开始进军国际市场，并逐渐成为国际市场的主角。

激光切割进入高功率时代

2012年以后，光纤激光切割工艺崭露头角，并在随后几年以摧枯拉朽之势将CO2激光切割技术逐步替代，特别是在2015年之后，光纤激光切割功率的升级更是达到了日新月异的地步。2015年，6000W光纤激光切割机问世，2016年，奔腾激光研发的我国首台8000W光纤激光切割机亮相北京国际机床展，当即被北京一家客户购买。2017年7月，奔腾激光又率先研发出10000W光纤激光切割机，并于当月安装在无锡一家客户企业的生产现场。9月，奔腾激光12000W光纤激光切割机安装在江苏泰州某客户工厂。2018年，激光切割机功率将问鼎15000W。与此同时，国内激光设备制造同行纷纷跟随激光切割功率的上升，在很短的时间内开发出高功率激光切割设备，大有你追我赶之势，将我国激光切割市场共同推向高功率时代。

为什么激光切割一直在向高功率段攀升？最后要到多少瓦才触顶？万瓦级激光切割机到底有哪些技术优势？长期应用是否稳定？给当下钣金加工行业带来了哪些改变？对此，作为国内引导高功率激光切割机技术与市场的主要制造商，奔腾激光给出了自己的观点和看法。

万瓦级激光切割机的技术突破

⑴与高功率激光器匹配的机床必须是高动态性能的高速机床。更高的激光功率意味着更快的运行速度和加速度。奔腾激光推出的搭载万瓦级光纤激光发生器的“闪电机床”，其横梁及驱动设计是在意大利SmartCea中心的支持下重新研发设计的，利用Nastran Sol200 Protocol系统进行模拟仿真分析，设计出的新款三角形结构横梁，其特点是：重量减轻30%，动态性能明显提升；最大移动速度可达到200m/min，加速度为4g的动态响应特性。底座更新设计后，增加重量约为20%，改变机床固定方式，消除高加速度运动对机床冲击力的影响。

⑵全新软件Smart Manager 4.0。软件及控制系统就像机床的大脑及指挥中心，机床运行的精度、效率除了硬件升级带来的红利之外，整机性能的差异主要来自于软件及控制系统的不同，且往往差异巨大。奔腾激光为了配合高功率光纤激光切割的应用，目前设备使用的切割软件为4.0版本，它具有如下特点：可实现速度高达100m/min的稳定切割；电容式传感器的响应速度比传统的切割头提高了3倍；Z轴速度提升，运行无停顿，且更为流畅，薄板切割效率提升25%以上；提升蛙跳功能的效能；改进了加速度自适应功能；完善了快速穿孔与精密穿孔功能以及远程诊断功能；为客户企业实现“工业4.0”预留了智能接口等。

⑶激光切割头是实现在高功率连续工作状态下长期稳定切割的关键。与普通切割头相比，它需要更严实的密封性及更充分的冷却措施，更加广泛的焦点范围及更耐高温的镀膜镜片。由于高功率的热透镜效应，切割头在长时间工作时光束存在焦点漂移的现象，克服焦点漂移是高功率激光切割设备的一个重要难点，万瓦级激光切割机使用了更新的气路设计及新型喷嘴，提升了厚板切割速度及切割稳定性。此外，更安全可靠的床身热能防护也是需要重新考虑的因素。除了主机床及控制系统等软硬件方面的升级之外，大量与之配套的设计与改进，以及更为完备的切割工艺技术研究等都是高功率激光切割设备必须攻克的技术要点。

对钣金加工行业的改变

首先是提升了不同板材切割加工的厚度范围，在CO2激光切割时代，激光的最大功率限制在6000W以内，早期光纤激光切割板材的厚度也局限于碳钢20mm以内，不锈钢12mm以内，更厚的材料还是采用精细等离子、线切割或水刀切割等传统加工工艺。万瓦级光纤激光切割对钣金加工领域首当其冲的革命性改变，就是对不同材料可加工厚度的不断提升（图1）：铝合金板材可达40mm，不锈钢板材可达50mm，随着12kW和15kW光纤激光切割机的陆续推出，材料切割的厚度极限还会继续被打破，厚板的加工价格会进一步降低，因此会触发更多厚板领域的激光切割应用，如造船、核电、国防等。由此形成一个良性循环，结果是促进激光切割的应用领域进一步扩大。

图1 万瓦级激光切割机对不同材料的切割

除了切割厚度的提升，万瓦级激光切割在中薄板领域的切割效率也是倍数级提升。在切割厚度为3～10mm的不锈钢板材时，10kW激光切割机的切割速度是6kW的两倍以上；同时10kW激光切割机在碳钢的切割应用中，可以达到18～20mm/s的快速亮面切割，是普通标准切割速度的两倍；还可以用压缩空气或氮气切割12mm以内的碳钢，切割效率是氧气切割碳钢的速度的六到七倍。高功率激光切割薄板效率的提升速度大大超越了人们过去的想象，这也是高功率激光切割机深受钣金市场欢迎的主要原因。从经济效益的角度来分析，一台10kW激光切割机床的价格比6kW机床价格高出不到40%，但单位时间产出效率却是6kW设备的两倍以上，而且节省了人工和场地，受到激光加工企业老板的青睐。

工欲善其事，必先利其器。激光加工的微利时代已经来临，意味着对主要生产工具——激光切割机的效率及性能要求越来越高，现在已经不再是那个将部件拼凑起来能切就能赚钱的时代了，激光切割加工的市场总值会越来越大，但加工价格会进一步走低，手握利器才能在激烈的市场竞争中勇立潮头。在三个月时间里，奔腾激光已经在国内安装了近10台万瓦级激光切割设备。奔腾激光还于2017年10月份在台湾安装全岛第一台10kW激光切割机。由于市场的拉动，一些激光企业开始进军高功率激光设备的研发和生产，但不是每一家企业都可以做好的。顾客在选择高功率激光切割设备时，需要慎重考量：除了切割速度和精度外，特别要检验满功率连续切割时的稳定性和一致性，机床的速度匹配能力，机床控制的先进性及精度寿命等。不能像购买小功率激光切割设备那样，简单比较价格因素就可以了。高功率意味着高投入，高投入蕴含着高风险。客户在进入这个高回报市场时，一定要认识到其风险性。

——节选自《钣金与制作》2017年第12期P46-48页