武亞鵬

庫(kù)珀（天津）科技有限公司 天津 301700

1 序言

在金屬板材加工領(lǐng)域中，激光切割機(jī)的優(yōu)勢(shì)非常凸顯，因精度高、速度快、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，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(shè)備[1]。從激光切割機(jī)興起，到光纖激光切割機(jī)取代YAG、CO2等機(jī)器，再到大功率激光切割機(jī)的不斷推出，對(duì)于切割厚板和切割效率來(lái)說(shuō)，大功率的設(shè)備已經(jīng)是大勢(shì)所趨。

近年來(lái)，大功率激光切割機(jī)成了激光切割領(lǐng)域的熱門話題，眾多企業(yè)不斷推出萬(wàn)瓦級(jí)以上的光纖激光切割設(shè)備。對(duì)于鈑金加工行業(yè)來(lái)說(shuō)，大功率切割設(shè)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(jī)的出現(xiàn)，不斷打破材料切割厚度的極限。由此帶來(lái)的加工厚板價(jià)格降低，形成一個(gè)良好的循環(huán)，促進(jìn)激光切割應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大。

2 大功率激光切割機(jī)的簡(jiǎn)介

（1）大功率切割機(jī)介紹 激光切割機(jī)可根據(jù)功率分為小功率、中功率和大功率。對(duì)于厚度一般的不銹鋼和碳素鋼，小功率激光切割機(jī)就可以進(jìn)行良好的切割。而對(duì)于切割厚板和切割效率來(lái)說(shuō)，大功率的激光切割機(jī)可以很好的實(shí)現(xiàn)。因此，激光器功率在萬(wàn)瓦級(jí)以上的激光切割機(jī)統(tǒng)稱為大功率激光切割機(jī)（見(jiàn)圖1）。

圖1 大功率激光切割設(shè)備

（2）光纖激光器功率的規(guī)格 針對(duì)激光切割金屬板材厚度的不同，大功率切割機(jī)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(shì)上來(lái)看，在金屬加工市場(chǎng)中，各大中小型企業(yè)逐漸升級(jí)到多種規(guī)格，見(jiàn)表1。

表1 大功率光纖激光器規(guī)格

（3）使用氣體的規(guī)格 在大功率激光切割機(jī)工作時(shí)，為保證切割的精度、切割的速度、切割斷面的效果等諸多優(yōu)勢(shì)，對(duì)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(jī)的特點(diǎn)

3.1 技術(shù)突破

（1）高動(dòng)態(tài)性能的高速切割機(jī)床 搭載萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光器的機(jī)床，采用新款的三角形結(jié)構(gòu)橫梁，其特點(diǎn)：①重量減輕30%，動(dòng)態(tài)性能明顯提升。②最大移動(dòng)速度可達(dá)到200m/min，加速度為4g的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。③底座增加了重量，約為20%，改變機(jī)床固定方式，消除高加速度運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)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(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(jí)帶來(lái)的紅利之外，整機(jī)性能的差異主要來(lái)自于軟件及控制系統(tǒng)的不同，且往往差異很大。

（3）可實(shí)現(xiàn)速度達(dá)100m/min的穩(wěn)定切割 ①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。②Z軸速度提升，運(yùn)行無(wú)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(jìn)了加速度適應(yīng)功能。③完善快速穿孔與精密穿孔功能以及遠(yuǎn)程診斷功能，為實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”的功能預(yù)留了智能接口[2]。

3.2 切割頭特點(diǎn)

大功率切割頭在高功率連續(xù)作業(yè)的情況下是保證切割穩(wěn)定的核心部件，具有以下特點(diǎn)：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(yīng)用范圍更加廣泛的焦點(diǎn)和耐高溫的鏡片。②大功率熱透鏡效應(yīng)的影響，切割頭在長(zhǎng)時(shí)間的工作下，光束會(huì)有焦點(diǎn)漂移的現(xiàn)象發(fā)生，為了克服焦點(diǎn)漂移的問(wèn)題，大功率切割頭采用了新的氣路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及更換了新結(jié)構(gòu)的噴嘴，從而來(lái)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(jī)切割鋁合金板材厚度可達(dá)40mm，不銹鋼板材厚度可達(dá)130mm，隨著大功率激光切割機(jī)技術(shù)的不斷升級(jí)，切割材料的厚度還會(huì)不斷增加，加工厚板的價(jià)格會(huì)逐漸降低，并加快促進(jìn)大功率激光切割機(jī)在厚板領(lǐng)域中的應(yīng)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(shí)，10 000W激光切割機(jī)的切割速度是6000W的兩倍以上。②10 000W激光切割機(jī)在碳素鋼的切割應(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。③可以用壓縮空氣或氮?dú)馇懈?2mm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(diǎn)

（1）設(shè)備配備了超強(qiáng)承重的機(jī)械結(jié)構(gòu) 大功率切割機(jī)都配備了鑄鐵床身，采用最低抗拉強(qiáng)度200MPa的片狀石墨鑄鐵一體澆鑄成形，含碳量、抗壓強(qiáng)度、減振性以及耐磨性等都有大幅度的提高（見(jiàn)圖3）。

圖3 機(jī)床的床身

（2）鑄鐵床身的特性 ①床身具備良好的潤(rùn)滑性能、耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性，減少因床身振動(dòng)帶來(lái)的加工誤差。②降低設(shè)備在使用時(shí)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(dá)70年以上。

3.5 自動(dòng)更換噴嘴

（1）手動(dòng)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(lái)一直采用人工手動(dòng)更換噴嘴的形式，這樣不僅效率低下，需要技術(shù)人員重復(fù)勞動(dòng)，而且難以保證更換后的精度和穩(wěn)定性。

如何高效、快速地更換噴嘴，并保證每次更換都萬(wàn)無(wú)一失并保持精度，是激光切割領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)難題。

（2）自動(dòng)更換噴嘴技術(shù) 大功率激光切割機(jī)應(yīng)用了噴嘴自動(dòng)更換的功能?？蓪?shí)現(xiàn)噴嘴的自動(dòng)更換、激光頭的標(biāo)定、噴嘴全自動(dòng)清洗等功能，降低了人工重復(fù)勞動(dòng)量。噴嘴自動(dòng)更換時(shí)在觸摸屏上操作相應(yīng)的命令即可實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)更換噴嘴技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）降低勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了更換噴嘴時(shí)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(shí)現(xiàn)根據(jù)不同的材質(zhì)和不同的板厚自動(dòng)更換噴嘴的型號(hào)和規(guī)格，減少了由人工來(lái)更換的時(shí)間，從而提高了生產(chǎn)效率。

3）自動(dòng)更換噴嘴為全封閉式的防護(hù)裝置，為噴嘴設(shè)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(shí)間短，熱聚焦能量小，起刀點(diǎn)穩(wěn)定，保持隨動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以保證達(dá)到最佳的切割效果。閃電穿孔優(yōu)點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 閃電穿孔優(yōu)點(diǎn)

（2）極限小孔 激光切割行業(yè)，一直認(rèn)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(jī)可以實(shí)現(xiàn)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(jī)的優(yōu)勢(shì)

（1）高速度 激光切割速度已超過(guò)20m/min，加工切割機(jī)的兩軸移動(dòng)速度可以達(dá)到250m/min，加速度在運(yùn)行過(guò)程中已經(jīng)達(dá)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(gè)左右。在切割過(guò)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(jī)的功率逐步加大，相應(yīng)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(kāi)始朝著大尺寸的方向發(fā)展。

（5）自動(dòng)無(wú)人化 激光切割技術(shù)的自動(dòng)無(wú)人化具有發(fā)展的必要性和緊迫性。①計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用促使激光切割技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)無(wú)人化。②市場(chǎng)對(duì)這種技術(shù)的應(yīng)用需求也不斷增大，促使激光切割技術(shù)要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無(wú)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(zhǔn)確的圖形識(shí)別技術(shù)，簡(jiǎn)單的操作工序，便捷的人機(jī)智能交互，實(shí)現(xiàn)了激光器與計(jì)算機(jī)控制、數(shù)控技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)、高精度和自動(dòng)化定位裝置等結(jié)合起來(lái)，將自動(dòng)排料、切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、遠(yuǎn)程故障診斷、遠(yuǎn)程控制等集成為一體，滿足大批量及復(fù)雜零件加工的需要[3-4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）大功率設(shè)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(jī)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(lǐng)域進(jìn)行關(guān)鍵性技術(shù)研究和發(fā)展，從而促進(jìn)大功率激光切割的技術(shù)發(fā)展來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。

（2）大功率設(shè)備選擇 一些企業(yè)在選擇大功率激光切割設(shè)備時(shí)，需要慎重考慮：除了切割速度和精度外，特別要檢驗(yàn)滿功率連續(xù)切割時(shí)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(gòu)買小功率激光切割設(shè)備那樣，簡(jiǎn)單比較價(jià)格因素。大功率意味著高投入，高投入蘊(yùn)含著高風(fēng)險(xiǎn)。企業(yè)在進(jìn)入這個(gè)高回報(bào)市場(chǎng)時(shí)，一定要認(rèn)識(shí)到其風(fēng)險(xiǎn)性。