激光切割進入高功率時代
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到了日新月異的地步。2015年，6000W光纖激光切割機問世，2016年，奔騰激光研發(fā)的我國首臺8000W光纖激光切割機亮相北京國際機床展，當即被北京一家客戶購買。2017年7月，奔騰激光又率先研發(fā)出10000W光纖激光切割機，并于當月安裝在無錫一家客戶企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場。9月，奔騰激光12000W光纖激光切割機安裝在江蘇泰州某客戶工廠。2018年，激光切割機功率將問鼎15000W。與此同時，國內(nèi)激光設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？萬瓦級激光切割機到底有哪些技術優(yōu)勢？長期應用是否穩(wěn)定？給當下鈑金加工行業(yè)帶來了哪些改變？對此，作為國內(nèi)引導高功率激光切割機技術與市場的主要制造商，奔騰激光給出了自己的觀點和看法。
萬瓦級激光切割機的技術突破
⑴與高功率激光器匹配的機床必須是高動態(tài)性能的高速機床。更高的激光功率意味著更快的運行速度和加速度。奔騰激光推出的搭載萬瓦級光纖激光發(fā)生器的“閃電機床”，其橫梁及驅(qū)動設計是在意大利SmartCea中心的支持下重新研發(fā)設計的，利用Nastran Sol200 Protocol系統(tǒng)進行模擬仿真分析，設計出的新款三角形結構橫梁，其特點是：重量減輕30%，動態(tài)性能明顯提升；最大移動速度可達到200m/min，加速度為4g的動態(tài)響應特性。底座更新設計后，增加重量約為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。
⑵全新軟件Smart Manager 4.0。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，且往往差異巨大。奔騰激光為了配合高功率光纖激光切割的應用，目前設備使用的切割軟件為4.0版本，它具有如下特點：可實現(xiàn)速度高達100m/min的穩(wěn)定切割；電容式傳感器的響應速度比傳統(tǒng)的切割頭提高了3倍；Z軸速度提升，運行無停頓，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；改進了加速度自適應功能；完善了快速穿孔與精密穿孔功能以及遠程診斷功能；為客戶企業(yè)實現(xiàn)“工業(yè)4.0”預留了智能接口等。
⑶激光切割頭是實現(xiàn)在高功率連續(xù)工作狀態(tài)下長期穩(wěn)定切割的關鍵。與普通切割頭相比，它需要更嚴實的密封性及更充分的冷卻措施，更加廣泛的焦點范圍及更耐高溫的鍍膜鏡片。由于高功率的熱透鏡效應，切割頭在長時間工作時光束存在焦點漂移的現(xiàn)象，克服焦點漂移是高功率激光切割設備的一個重要難點，萬瓦級激光切割機使用了更新的氣路設計及新型噴嘴，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也是需要重新考慮的因素。除了主機床及控制系統(tǒng)等軟硬件方面的升級之外，大量與之配套的設計與改進，以及更為完備的切割工藝技術研究等都是高功率激光切割設備必須攻克的技術要點。
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域首當其沖的革命性改變，就是對不同材料可加工厚度的不斷提升（圖1）：鋁合金板材可達40mm，不銹鋼板材可達50mm，隨著12kW和15kW光纖激光切割機的陸續(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一步降低，因此會觸發(fā)更多厚板領域的激光切割應用，如造船、核電、國防等。由此形成一個良性循環(huán)，結果是促進激光切割的應用領域進一步擴大。
圖1 萬瓦級激光切割機對不同材料的切割
除了切割厚度的提升，萬瓦級激光切割在中薄板領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激光切割機的切割速度是6kW的兩倍以上；同時10kW激光切割機在碳鋼的切割應用中，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；還可以用壓縮空氣或氮氣切割12mm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深受鈑金市場歡迎的主要原因。從經(jīng)濟效益的角度來分析，一臺10kW激光切割機床的價格比6kW機床價格高出不到40%，但單位時間產(chǎn)出效率卻是6kW設備的兩倍以上，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，但加工價格會進一步走低，手握利器才能在激烈的市場競爭中勇立潮頭。在三個月時間里，奔騰激光已經(jīng)在國內(nèi)安裝了近10臺萬瓦級激光切割設備。奔騰激光還于2017年10月份在臺灣安裝全島第一臺10kW激光切割機。由于市場的拉動，一些激光企業(yè)開始進軍高功率激光設備的研發(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，簡單比較價格因素就可以了。高功率意味著高投入，高投入蘊含著高風險。客戶在進入這個高回報市場時，一定要認識到其風險性。
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