激光切割進(jìn)入高功率時(shí)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(shì)將CO2激光切割技術(shù)逐步替代,特別是在2015年之后,光纖激光切割功率的升級(jí)更是達(dá)到了日新月異的地步。2015年,6000W光纖激光切割機(jī)問(wèn)世,2016年,奔騰激光研發(fā)的我國(guó)首臺(tái)8000W光纖激光切割機(jī)亮相北京國(guó)際機(jī)床展,當(dāng)即被北京一家客戶購(gòu)買。2017年7月,奔騰激光又率先研發(fā)出10000W光纖激光切割機(jī),并于當(dāng)月安裝在無(wú)錫一家客戶企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。9月,奔騰激光12000W光纖激光切割機(jī)安裝在江蘇泰州某客戶工廠。2018年,激光切割機(jī)功率將問(wèn)鼎15000W。與此同時(shí),國(guó)內(nèi)激光設(shè)備制造同行紛紛跟隨激光切割功率的上升,在很短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出高功率激光切割設(shè)備,大有你追我趕之勢(shì),將我國(guó)激光切割市場(chǎng)共同推向高功率時(shí)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(wàn)瓦級(jí)激光切割機(jī)到底有哪些技術(shù)優(yōu)勢(shì)?長(zhǎng)期應(yīng)用是否穩(wěn)定?給當(dāng)下鈑金加工行業(yè)帶來(lái)了哪些改變?對(duì)此,作為國(guó)內(nèi)引導(dǎo)高功率激光切割機(jī)技術(shù)與市場(chǎng)的主要制造商,奔騰激光給出了自己的觀點(diǎn)和看法。
萬(wàn)瓦級(jí)激光切割機(jī)的技術(shù)突破
⑴與高功率激光器匹配的機(jī)床必須是高動(dòng)態(tài)性能的高速機(jī)床。更高的激光功率意味著更快的運(yùn)行速度和加速度。奔騰激光推出的搭載萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光發(fā)生器的“閃電機(jī)床”,其橫梁及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)是在意大利SmartCea中心的支持下重新研發(fā)設(shè)計(jì)的,利用Nastran Sol200 Protocol系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析,設(shè)計(jì)出的新款三角形結(jié)構(gòu)橫梁,其特點(diǎn)是:重量減輕30%,動(dòng)態(tài)性能明顯提升;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。底座更新設(shè)計(jì)后,增加重量約為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。
⑵全新軟件Smart Manager 4.0。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,且往往差異巨大。奔騰激光為了配合高功率光纖激光切割的應(yīng)用,目前設(shè)備使用的切割軟件為4.0版本,它具有如下特點(diǎn):可實(shí)現(xiàn)速度高達(dá)100m/min的穩(wěn)定切割;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;Z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25%以上;提升蛙跳功能的效能;改進(jìn)了加速度自適應(yīng)功能;完善了快速穿孔與精密穿孔功能以及遠(yuǎn)程診斷功能;為客戶企業(yè)實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”預(yù)留了智能接口等。
⑶激光切割頭是實(shí)現(xiàn)在高功率連續(xù)工作狀態(tài)下長(zhǎng)期穩(wěn)定切割的關(guān)鍵。與普通切割頭相比,它需要更嚴(yán)實(shí)的密封性及更充分的冷卻措施,更加廣泛的焦點(diǎn)范圍及更耐高溫的鍍膜鏡片。由于高功率的熱透鏡效應(yīng),切割頭在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)光束存在焦點(diǎn)漂移的現(xiàn)象,克服焦點(diǎn)漂移是高功率激光切割設(shè)備的一個(gè)重要難點(diǎn),萬(wàn)瓦級(jí)激光切割機(jī)使用了更新的氣路設(shè)計(jì)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(hù)也是需要重新考慮的因素。除了主機(jī)床及控制系統(tǒng)等軟硬件方面的升級(jí)之外,大量與之配套的設(shè)計(jì)與改進(jìn),以及更為完備的切割工藝技術(shù)研究等都是高功率激光切割設(shè)備必須攻克的技術(shù)要點(diǎn)。
對(duì)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(shí)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(xì)等離子、線切割或水刀切割等傳統(tǒng)加工工藝。萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光切割對(duì)鈑金加工領(lǐng)域首當(dāng)其沖的革命性改變,就是對(duì)不同材料可加工厚度的不斷提升(圖1):鋁合金板材可達(dá)40mm,不銹鋼板材可達(dá)50mm,隨著12kW和15kW光纖激光切割機(jī)的陸續(xù)推出,材料切割的厚度極限還會(huì)繼續(xù)被打破,厚板的加工價(jià)格會(huì)進(jìn)一步降低,因此會(huì)觸發(fā)更多厚板領(lǐng)域的激光切割應(yīng)用,如造船、核電、國(guó)防等。由此形成一個(gè)良性循環(huán),結(jié)果是促進(jìn)激光切割的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。
圖1 萬(wàn)瓦級(jí)激光切割機(jī)對(duì)不同材料的切割
除了切割厚度的提升,萬(wàn)瓦級(jí)激光切割在中薄板領(lǐng)域的切割效率也是倍數(shù)級(jí)提升。在切割厚度為3~10mm的不銹鋼板材時(shí),10kW激光切割機(jī)的切割速度是6kW的兩倍以上;同時(shí)10kW激光切割機(jī)在碳鋼的切割應(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;還可以用壓縮空氣或氮?dú)馇懈?2mm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(guò)去的想象,這也是高功率激光切割機(jī)深受鈑金市場(chǎng)歡迎的主要原因。從經(jīng)濟(jì)效益的角度來(lái)分析,一臺(tái)10kW激光切割機(jī)床的價(jià)格比6kW機(jī)床價(jià)格高出不到40%,但單位時(shí)間產(chǎn)出效率卻是6kW設(shè)備的兩倍以上,而且節(jié)省了人工和場(chǎng)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(shí)代已經(jīng)來(lái)臨,意味著對(duì)主要生產(chǎn)工具——激光切割機(jī)的效率及性能要求越來(lái)越高,現(xiàn)在已經(jīng)不再是那個(gè)將部件拼湊起來(lái)能切就能賺錢的時(shí)代了,激光切割加工的市場(chǎng)總值會(huì)越來(lái)越大,但加工價(jià)格會(huì)進(jìn)一步走低,手握利器才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中勇立潮頭。在三個(gè)月時(shí)間里,奔騰激光已經(jīng)在國(guó)內(nèi)安裝了近10臺(tái)萬(wàn)瓦級(jí)激光切割設(shè)備。奔騰激光還于2017年10月份在臺(tái)灣安裝全島第一臺(tái)10kW激光切割機(jī)。由于市場(chǎng)的拉動(dòng),一些激光企業(yè)開(kāi)始進(jìn)軍高功率激光設(shè)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(shè)備時(shí),需要慎重考量: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)格因素就可以了。高功率意味著高投入,高投入蘊(yùn)含著高風(fēng)險(xiǎn)??蛻粼谶M(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。
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