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激光自動化切割設備的技術特點及應用前景

瀏覽次數: 日期:2016年10月11日 09:14

  一、前言   激光自動化切割設備技術是一門發展極快的新型制造技術,與傳統的火焰切割,等離子切割等傳統切割技術比較,具有加工精度高,熱變形小,切割面質量好,對于切割要求高的場合是一種理想的切割加工技術,激光自動化切割設備的普及應用將為我國傳統工業的技術改造、新興工業領域以及制造業的現代化提供技術裝備。面對日益增長的巨大的激光自動化切割設備應用市場和國際競爭新格局,激光自動化切割技術產業化急需有一個大的發展。這種狀況給國內從事激光自動化切割設備生產企業帶來機遇和挑戰。   我國激光自動化切割設備技術產業正處在高速迅猛發展期,直至去年,我國激光產業已初具規模。作為一種制造技術,激光技術日益深入各行各業,對我國制造產業的轉型升級起著作用。   激光自動化切割設備的分類主要是以光源種類、光源功率、切割維度(平面或三維)來區分;其中細分技術指標為切割速度、切割精度、運動機構的驅動方式、手動或自動對焦功能、工作臺尺寸等。   

二、激光源分類及其技術特性   要談論激光自動化切割設備技術的技術特性,首先要了解激光源,因為激光源直接決定了激光切割設備的其他技術性能指標。   目前市場銷售的激光自動化切割設備的激光源主要有: 1.CO2激光 2.光纖激光 3.YAG激光   CO2激光器的激光工作物質為CO2混合氣體,其主要應用的激光波長為10.6μm。由于該種激光器的激光轉換效率較高,同時激光器工作產生的熱量可以通過對流或擴散迅速傳遞到激光增益區之外,其激光輸出平均功率可以做到很高的水平(萬瓦以上),滿足大功率激光加工的要求。   CO2激光器以功率來劃分可分為:小功率中功率,大功率CO2激光器:   低功率(小于200瓦)CO2激光的應用   主要為電子工業(如電阻制造、IC標志)、非金屬加工業(竹木雕、服飾、制鞋、飾品制造等)和部分醫療和研究單位所使用。   中高功率(200-1600)CO2激光的應用   模具業,各種機器零部件切割,汽車鈑金切割 ,計算機、電氣機殼的鈑金切割,特殊材料切割如: 塑膠、玻璃、模具等非金屬的切割 .   高功率(大于1600瓦)CO2激光的應用   大于1600瓦的高功率CO2激光,主要被應用在金屬切割,焊接和表面處理上,在工業先進國家已逐漸被國防、汽車和航天工業里一些特殊領域所采用。   傳統的高功率軸快流CO2激光器仍是高功率激光切割加工裝備中的主流配置,雖然光纖激光近年來發展勢頭迅猛, 國內外用于激光加工的大功率CO2激光器,主要是橫流、軸流激光器。 橫流激光器的光束質量不太好,為多模輸出,主要用于熱處理和焊接。我國目前已能生產各種大功率橫流CO2激光器系列,可滿足了國內激光熱處理和焊接的需求。 軸流激光器:軸流激光器的光束質量較好,為基?;蜃薊J涑?,主要用于激光切割和焊接,我國激光切割設備市場主要由國外軸流激光器所有。盡管國內激光器廠商在國外軸流激光器上做了許多工作,但由于主要配件還需進口,產品價格難以大幅度下降,普及CO2激光器光束質量好和橫流CO2激光器造價低、體積小的優點。該種工業加工激光器的推廣應用,將對我國激光加工產業的發展和普及起到積極的作用。   20世紀60年代末我國已開始了高功率CO2激光器及其應用的研究。經過30多年的努力,現在已形成了500W~10kW系列產品的生產能力,大約有10多家公司和單位能夠生產500W以上的CO2激光器,其中包括楚天,華工,大族,南京東方,南京通快,上海普瑞瑪。不過從整體上來說中國激光器與國外的相比還有一定距離,所有中國市場,大部分使用的是進口產品。國際品牌包括:R ofin(羅芬), Trumpf(通快),PRC,Coherent(相干),Access(美國大通),Prima(普瑞瑪),瑞士百超,日本三菱,日本馬扎克,日本Amada。 總體來說,我國CO2激光技術經過多年的培育,有了一定的發展,正在形成規模,我國大部分切割機上所有的大功率CO2激光器至今仍依賴進口。與國外相比,國內高功率CO2激光器就其激光質量及其測控系統而言,還有一定的差距。     光纖激光切割技術在國內僅在不到5年內出現, 光纖激光器的優越性主要體現在:光纖激光器是波導式結構,具有高增益、轉換效率高、閾值低、輸出光束質量好、線寬窄、結構簡單、可靠性高等特性,易于實現和光纖的耦合,輸出峰值功率可高達數百千瓦,波長1.06μm附近,對大部分材料吸收效率較高,體積小,重量輕,便于移動,聚焦光斑直徑較小(10~100 μm),能夠實現切割,從而能夠免去一些后期處理步驟。通過光纖輸出,易于與機械手配合,實現激光遠距離加工,總體光電轉換效率高達25%~30%,可以長時間穩定工作,維護方便,運行成本低。 雖然光纖激光切割擅長切割大部分材料,但是其不能用于切割丙烯酸類或聚碳酸酯類材料,而且僅能切割有限應用領域中的木質或纖維材料 生產光纖激光器的公司有:SPI,IPG,國內的有銳科激光(華工激光旗下)。   YAG激光器輸出的波長為1.06um,恰好比CO2激光波長10.06μm小一個數量級,傳統的固體激光器通常采用高功率氣體放電燈泵浦。泵浦燈發射出的大量能量轉化為熱能,不僅造成固體激光器需采用笨重的冷卻系統,而且大量熱能會造成工作物質不可消除的熱透鏡效應,使光束質量變差。加之泵浦燈的壽命約為300小時,操作人員需花很多時間頻繁的換燈,中斷系統工作,使自動化生產線的效率大大降低,但如果采用二極管泵浦的固體激光器,則可以很好的避免這一點。   YAG固體激光切割機具有價格低、穩定性好的特點,但能量效率低一般<3%,目前產品的輸出功率大多在600W以下,由于輸出能量小,主要用于打孔和點焊及薄板的切割。它的綠色的激光束可在脈沖或連續波的情況下應用,具有波長短、聚光性好適于加工特別是在脈沖下進行孔加工,也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固體激光切割機激光器的波長不易被非金屬吸收,故不能切割非金屬材料,且YAG固體激光切割機需要解決的是提高電源的穩定性和壽命,即要研制大容量、長壽命的光泵激勵光源,如采用半導體光泵可使能量效率大幅度地增長。

  三、CO2激光切割機與光纖激光切割機的比較   首先,作為主流的傳統的激光切割、焊接設備都采用CO2激光器,可以穩定切割20mm以內的碳鋼,10mm以內的不銹鋼,8mm以下的鋁合金。光纖激光器在切割4mm以內的薄板時優勢明顯,受固體激光波長的影響它在切割厚板時質量較差。CO2激光器的波長為10.6um,固體激光器如YAG或光纖激光器的波長為1.06um,前者比較容易被非金屬吸收,可以高質量地切割木材、亞克力、PP、有機玻璃等非金屬材料,后者卻不易被非金屬吸收,故不能切割非金屬材料,但兩種激光在碰到銅、銀、純鋁等高反射材質時都欠佳。   其次,正是由于CO2和光纖激光兩者的波長相差一個數量級,前者是不能用光纖傳輸的,后者可以用光纖傳輸,大大增加了加工的柔性化程度。早期在光纖激光器推出市場之前,為了實現三維加工,我們采用光關節技術通過高度配合的動態的組合反射鏡系統將CO2激光導到三維曲面表面,實現CO2激光的三維加工,這種技術因為國內加工技術的限制主要掌握在極少數歐美發達國家手里,價格昂貴,維護要求高,在光纖激光的市場份額逐漸擴大的同時已經逐漸失去其市場。而光纖激光由于它可以通過光纖傳輸,柔性化程度提高,特別是針對汽車行業,由于基本上都是1mm左右的薄板曲面加工,光纖激光配合同樣柔性化的機器人系統,成本低,故障點少,維護方便,速度奇快,當仁不讓地穩穩占領了這塊市場。不過,光纖激光作為一種新興的激光技術,普及程度遠遠不如CO2激光,其穩定可靠性、售后服務的便利性還有待市場的長期觀察。   另外,光纖激光器搭配機器人的柔性加工系統在汽車行業及配套產業的高地位由來已久,以往是被國外集成商所壟斷,近年來由于金融?;捌擋瞪際醯牟歡咸嶸?,尤其是國內激光技術廠家如華工激光法利萊在國家政策的支持下對技術的攻關,在近幾年給汽車用戶提供的汽車白車身焊接、汽車儀表板激光弱化、汽車保險杠、車門、中柱等機器人柔性切割、汽車保險杠激光焊接、汽車排氣管在線焊接系統、汽車變檔套激光自動切割設備等等。   綜上所述,激光應用的方向應該是高功率的CO2激光應用在更穩定、更大幅面、更快速的機床上。針對2mm以下的三維曲面加工,光纖激光則是更有優勢。  

 四、YAG激光器與CO2激光器比較   YAG激光器輸出的波長為1.06um,恰好比CO2激光波長10.06μm小一個數量級,因而使其與金屬的偶合效率高、加工性能良好,YAG激光器能與光纖偶合,借助時間分割和功率分割多路系統能方便地將一束激光傳輸給多個工位或遠程距離工位,便于激光加工實現柔性化;YAG激光器能以脈沖和連續兩種方式工作,其脈沖輸出可通過調Q和鎖模技術獲得短脈沖及超短脈沖,從而使其加工范圍比CO2激光更大;YAG激光器結構緊湊、重量輕、使用簡便可靠、維修要求較低,價格相對低廉,故其應用前景看好。   YAG激光器的主要缺點是:   1.其轉換效率較低,這比CO2激光器的效率約低一個數量級;   2.YAG激光棒在工作過程中存在內部溫度梯度,因而會引起熱應力和熱透鏡效應,限制了YAG激光器平均功率和光束質量的進一步提高;   3.YAG激光器每瓦輸出功率的成本費比CO2激光貴。   4. 目前產品的輸出功率大多在600W以下,由于輸出能量小,主要用于打孔和點焊及薄板的切割。   

五、激光切割設備取代傳統加工工藝的趨勢分析   激光切割是鈑金加工的一次工藝革命。激光切割柔性化程度高,切割速度快,生產效率高,產品生產周期短,為客戶贏得了廣泛的市場。激光切割無切削力,加工無變形;無刀具磨損,材料適應性好;不管是簡單還是復雜零件,都可以用激光一次快速成形切割;其切縫窄,切割質量好、自動化程度高,操作簡便,勞動強度低,沒有污染;可實現切割自動排樣、套料,提高了材料利用率,生產成本低,經濟效益好。該技術的有效生命期長,目前在國外2毫米以下的板材大都采用激光切割,許多國外的專家一致認為今后30-40年是激光加工技術發展的黃金時期(是鈑金加工發展的方向),最近幾年我國鈑金加工技術水平和產品質量都有了飛速發展,這與加工企業逐步普及使用激光切割機是密不可分的。 在鈑金行業,激光切割機將在很大范圍內替代數控沖床,激光切割機較數控沖床的優勢有以下6個方面: 1、不需要開模,只在電腦上將圖作出,產品馬上就可以出來,即能快速開發新產品,又能節約成本。2、激光切割機有自動跟蹤系統,所以即能完成平面切割,也能完成各種高低不平的曲面切割。3、復雜的工藝要求數控沖床難以完成,激光切割都能做到?!?/span>4、能完成各種復雜結構的加工,只要能在電腦上畫出任何圖像,該機都能完成加工。5、成型的箱體(厚0.5米以內)需增加孔槽等處理,數控沖床無法處理,金屬激光切割機能解決。6、表面非常光滑,產品檔次很高,數控沖床難以做到。   由于激光切割機具有眾多優點,隨著金屬加工行業的發展,金屬激光切割機的優勢也越來越明顯,因此激光切割機所占地位比重也越來越大了。   三維激光切割在提高產品質量、生產效率,縮短產品開發周期、降低勞動強度、節省原材料等方面優勢明顯。因此,盡管設備成本高、一次性投資大,國內還是有很多汽車、飛機生產廠家購進了三維激光加工機,部分高校也購進了相應設備進行科研,三維激光技術勢必在我國制造業中發揮著越來越大的作用。   激光切割應用廣泛的領域是汽車車身設計及制造,主要用來開發新車型、在線切割、變形車生產,例如切割樣車零件,車身覆蓋件的切孔、修邊,切割方向盤孔、車身擋風板、車頂蓋支架孔、液壓成型部件等。BMW、奔馳、Fiat、Volvo、大眾、日產等公司都擁有用于車身加工的五軸激光加工機。

目前美國、歐洲和日本的許多船舶制造廠商很早就把高輸出功率的CO2激光切割機技術用于造船,并取得了成功。   這些年“精度造船”的提法已是耳熟能詳,要做到這一點,單就數控切割來看,目前國內船廠的設備顯然達不到技術要求,人們關注的目光自然投向了切割精度更高的激光切割,無疑這將成為數控激光切割機進軍中國造船業的原動力。光電技術的日新月異,使激光切割的作業成本(/kW)大為降低,加上各生產廠家為占得先機進行的激烈市場爭奪,必然會促使激光切割機的價格走低,使其在綜合經濟效益方面與數控等離子切割機形成競爭而被我國造船業逐步認知和接受。   可以說,激光切割技術已經滲透到國民經濟的各個領域,可以預見在今后幾年內,激光切割技術將以較高的速度在各制造業內推廣使用,將為我國制造業向高精尖方向發展作出重要貢獻。   六、我國中小功率激光切割設備市場規模分析   據《工業激光解決方案》(ILS)統計,2008年全球激光加工設備約為63.6億美元; 2009年,受全球金融?;跋?,中小功率激光切割機行業增長將顯著減緩。2010年以后恢復增長,到2012年,預計全球中小功率激光切割機行業規模將達到13.1億美元。 圖表 1 全球中小功率激光切割機行業規模 (單位:億美元)


 

 

  在我國,中小功率激光加工設備中激光切割機和打標機占據80%的市場份額,是中小功率激光加工中的加工設備。2008年我國中小功率激光切割設備市場規模為4.02億元,2009年受全球金融?;跋煳夜行」β始す馇懈罨腦齔し確嘔?,預計今年2012年我國中小功率激光切割機規模將達到10.4億元人民幣。激光切割機作為傳統工具的新型替代產品面臨的市場前景廣闊。
圖表 2 2006-2012年中國中小功率激光切割機的銷售情況
單位:億元人民幣

 

 

七、展望未來   我國激光企業具有群體聚集性,主要分布在五個產業帶:珠三角、長三角、華中、環渤海地區,以及新興的東北工業振興區。另外,西部產業帶也將成形。   激光加工是國外激光應用中的項目,也是對傳統產業改造的手段,主要是kW 級到 10kW CO2激光器,光纖激光器和百瓦到千瓦級 YAG 激光器實現對各種材料的切割。自上世紀七十年代初,激光切割技術投入生產應用以來,發展速度快,技術日趨完善。據測算,未來5年,中國激光產品市場需求將超過600億元。目前,工業較為發達國家對這一技術的運用較為廣泛。促使激光切割技術獲得更多使用的主要原因是:激光切割具有熱變形小、切割精度高、易于實現無人自動切割。通過使用改進型的大功率激光切割機床結合智能的數控系統,使其切割速度更快、厚度更高、獲得的切割邊緣質量更好,使激光加工技術,特別使大功率的激光加工技術獲得了廣泛的應用與發展。 我國的主力激光器產品正從單一走向多品種,例如,5KW10KW的橫流CO2激光器已經在工業中應用,3KW、4KW、6KW CO2軸流激光器也已面市,半導體直接激光器實現了10KW的功率?!〖す餛韉奈蠢捶⒄骨魘萍性詘氳繼寮す餛?、光纖激光器、碟片激光器等。我國應重視對碟片激光器的研發。隨著激光器的國產化逐步成熟,質量逐步提高,激光器價格逐步降低,我們有理由相信,激光切割設備的普及應用的時代已經為期不遠了。   激光切割是當前各國應用很多的激光加工技術,在國外許多領域,例如,汽車制造業和機床制造業都采用激光切割進行鈑金零部件的加工。隨著大功率激光器光束質量的不斷提高,激光切割的加工對象范圍之廣,幾乎包括了所有的金屬和非金屬材料。例如,可以利用激光對高硬度、高脆性、高熔點的金屬材料進行形狀復雜的三維立體零件切割,這也正是激光切割的優勢所在。 以金屬切割為例,各種加工手段呈現一個百花齊放的態勢,包括激光、火焰切割、電火花加工、線切割、水切割。各種切割手段各有優勢,又都存在一定的局限性。從現今人們所掌握的各種切割技術來看,激光切割技術無疑是較好切割方法。除了上面所述的特點外,激光切割還具有噪聲低、污染小等優點。隨著人們環保意識的不斷增強,加之激光源制造成本的下降,這樣激光切割技術優勢更為突出。利用激光切割技術替代火焰和等離子切割,將成為今后切割技術發展的趨勢。 激光切割是用聚焦鏡將激光束聚焦在材料表面,使材料熔化,同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定形狀的切縫。激光切割的優點是由于激光光斑小,能量集中,所以切割的割縫小、無掛渣、幾乎沒有熱變形,切割面光滑。總體而言,激光切割工藝與其它切割工藝如火焰切割、等離子切割、高壓水射流切割等相比具有以下特點:  1.精度高:定位精度0.05mm,重復定位精度0.02 mm   2.切縫窄:激光束聚焦成很小的光點,使焦點處達到很高的功率密度,材料很快加熱至氣化程度,蒸發形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動,使孔洞連續形成寬度很窄的切縫。切口寬度一般為0.100.20mm。   3.切割面光滑:切割面無毛刺,切口表面粗糙度一般控制在Ra12.5以內。   4.速度快:切割速度可達10m/min,定位速度可達70m/min,比線切割的速度快很多。   5.切割質量好:無接觸切割,切邊受熱影響很小,基本沒有工件熱變形,完全避免材料沖剪時形成的塌邊,切縫一般不需要二次加工。   6.不損傷工件:激光切割頭不會與材料表面相接觸,保證不劃傷工件。   7.不受被切材料的硬度影響:激光可以對鋼板、不銹鋼、鋁合金板、硬質合金等進行加工,不管什么樣的硬度,都可以進行無變形切割。   8.不受工件形狀的影響:激光加工柔性好,可以加工任意圖形,可以切割管材及其它異型材。   9.可以對非金屬進行切割加工:如塑料、木材、PVC、 皮革、紡織品、有機玻璃等。   10.節約模具投資:激光加工不需模具,沒有模具消耗,無須修理模具,節約更換模具時間,從而節省了加工費用,降低了生產成本,尤其適合大件產品的加工。   11.節省材料:采用電腦編程,可以把不同形狀的產品進行整張板材料套裁,提高材料的利用率。   12.提高新產品開發速度:產品圖紙形成后,馬上可以進行激光加工。   13.環保:激光加工熔渣極少,噪音極小,清潔、大大改善了工作環境。   切割行業的發展始終與金屬制造企業發展是分不開的,通過與這些企業的緊密合作和技術交流,給切割行業帶來了許多不同的生產理念和富有挑戰性的經驗和技術。現代金屬制造企業為了優化其產品的結構性能,使得產品更經濟,生產周期更短。這就對其原有的制造技術和生產工藝提出新的設想和要求,部分設想和要求將要在切割設備上得以實現,這樣就對我們切割行業提出了新的課題和新的設計理念。   

與國際上激光加工系統相比,我國的激光加工系統還存在較大差距,但是我國激光設備生產企業正在積蓄力量穩步進入,國內應用市場也有很大發展空間,激光工業將在我國獲得發展。綜其原因,有以下幾個方面:   1.國家重視,各級政府部門都在積極關注、規劃、立項,多方面資金正在注入。特別是國家強調立項主體由大專院校,科研部門料轉到以企業為主,這就促進了企業產品的自主創新,技術升級。   2.國內各類制造業接受了激光加工技術,它可使他們的產品增加技術含量,加快產品更新換代,采用它可達到“敏捷制造”的水平,滿足市場對“個性化”產品的要求。   3.國內已逐步形成了產業群體激光零部件配套企業慢慢補齊,各類具有特色的激光加工系統制造商紛紛建立,國內已形成四個激光加工裝備制造的產業帶,它們主要分布在華中;珠江三角洲;長江三角洲和京津環渤海經濟發達地區。   4.國際上知名的激光加工制造商有的在華投資建廠;有的以國內合資生產,總趨勢是紛紛進入,形成國際競爭國內化。   5.國內在主力激光器方面逐步過關,進入市場應用。如大功率軸流CO2激光器,中小功率金屬腔射頻CO2激光器,半導體泵浦全固態激光器、光纖激光器、及倍頻DPL、大功率二極管??櫚?,正蓄勢待發,進入產品化初期,進入市場。為國產激光加工的開拓新應用創造條件。  

 激光加工技術一直是國家支持和推動應用的一項高新技術,特別是政府強調要振興制造業,這就給激光加工技術應用帶來發展機遇。在國家制定中長遠期發展規劃時,又將激光加工列為關鍵支撐技術,因為它涉及國防建設、高新技術的產業化和科技前沿的發展,這就把激光加工提升到很高的重視程度,也必將給激光加工機的制造和升級帶來很大的商機。由于對國內市場的各種宣傳、展示、普及和為用戶培訓,也大大地把激光加工的市場拓大拓寬,給國內用戶帶來采用這種制造技術的信心和決心,促成激光加工得以越來越廣泛應用的外部環境,這便是我們經常說的市場牽動。市場牽動又推動著激光加工機械,形成連鎖反應。正因如此推動,目前已經形成激光加工機生產企業達200余家,從業人員近2萬,具有中高級職稱的員工約占30%,已經形成一支具有相當實力的產業隊伍。同時,也吸引了世界各地許多激光加工設備制造商的關注和跟進,國內市場已經國際化了。

所屬類別: 視頻新聞

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