隨著重工業的不斷發展，激光切割技術從薄板切割向厚板大尺寸切割方向發展，激光切割逐漸進入大功率時代。新時代工業制造對金屬板材切割精度、速度、厚度提出了新的要求，激光切割機可實現的功率越來越高。從工業的發展來看，大功率激光切割機是一定階段的必然產物，也是行業發展的大勢所趨。

01

序言(yan)

在金屬(shu)板材(cai)加工領域中(zhong)，激(ji)(ji)光(guang)(guang)切(qie)(qie)割(ge)機(ji)的優(you)勢非常凸顯，因精度高、速度快、質量好等(deng)(deng)優(you)點，已逐漸取(qu)代傳統(tong)的加工工藝，成(cheng)為金屬(shu)板料切(qie)(qie)割(ge)的核心設(she)備[1]。從激(ji)(ji)光(guang)(guang)切(qie)(qie)割(ge)機(ji)興起，到光(guang)(guang)纖激(ji)(ji)光(guang)(guang)切(qie)(qie)割(ge)機(ji)取(qu)代YAG、CO2等(deng)(deng)機(ji)器，再到大(da)功率(lv)激(ji)(ji)光(guang)(guang)切(qie)(qie)割(ge)機(ji)的不(bu)斷(duan)推出，對(dui)于切(qie)(qie)割(ge)厚板和(he)切(qie)(qie)割(ge)效率(lv)來說，大(da)功率(lv)的設(she)備已經是大(da)勢所趨。

近年(nian)來(lai)，大(da)功率激(ji)光(guang)切(qie)(qie)(qie)割(ge)機(ji)成了激(ji)光(guang)切(qie)(qie)(qie)割(ge)領(ling)域(yu)的熱(re)門話題，眾多(duo)企業(ye)不斷(duan)推出(chu)萬瓦級以上的光(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)切(qie)(qie)(qie)割(ge)設備(bei)。對于鈑金(jin)加工行(xing)業(ye)來(lai)說，大(da)功率切(qie)(qie)(qie)割(ge)設備(bei)的誕生，大(da)大(da)提(ti)升了鈑金(jin)切(qie)(qie)(qie)割(ge)的厚(hou)度(du)和(he)效率。這種大(da)功率切(qie)(qie)(qie)割(ge)機(ji)的出(chu)現，不斷(duan)打破材(cai)料切(qie)(qie)(qie)割(ge)厚(hou)度(du)的級限。由此帶來(lai)的加工厚(hou)板價(jia)格降低，形(xing)成一個(ge)良好的循(xun)環(huan)，促進激(ji)光(guang)切(qie)(qie)(qie)割(ge)應用領(ling)域(yu)的進一步(bu)擴大(da)。

02

大(da)功率(lv)激(ji)光切割機的簡(jian)介

（1）大(da)功(gong)率切割機介紹

激(ji)光(guang)(guang)切(qie)(qie)割(ge)(ge)機可根據(ju)功(gong)率(lv)(lv)分(fen)為(wei)小功(gong)率(lv)(lv)、中功(gong)率(lv)(lv)和大功(gong)率(lv)(lv)。對于厚度一般的不(bu)銹鋼(gang)和碳素鋼(gang)，小功(gong)率(lv)(lv)激(ji)光(guang)(guang)切(qie)(qie)割(ge)(ge)機就可以(yi)進行良好(hao)的切(qie)(qie)割(ge)(ge)。而對于切(qie)(qie)割(ge)(ge)厚板和切(qie)(qie)割(ge)(ge)效率(lv)(lv)來說(shuo)，大功(gong)率(lv)(lv)的激(ji)光(guang)(guang)切(qie)(qie)割(ge)(ge)機可以(yi)很好(hao)的實現。因此，激(ji)光(guang)(guang)器功(gong)率(lv)(lv)在(zai)萬瓦級以(yi)上的激(ji)光(guang)(guang)切(qie)(qie)割(ge)(ge)機統稱為(wei)大功(gong)率(lv)(lv)激(ji)光(guang)(guang)切(qie)(qie)割(ge)(ge)機（見圖1）。

（2）光纖激光器功率的規(gui)格

針對激(ji)光切割金屬板材厚度的不同，大功率切割機上(shang)所(suo)選的光纖激(ji)

光器的(de)功(gong)率規(gui)格也(ye)不(bu)同，從目前發展趨(qu)勢(shi)上(shang)來看(kan)，在金屬(shu)加工市場中，各大中小型企業(ye)逐漸升級到多種規(gui)格，見表1。

（3）使用氣體的規(gui)格

在大(da)功(gong)率激光切(qie)(qie)(qie)割機工作時，為保障切(qie)(qie)(qie)割的(de)精度、切(qie)(qie)(qie)割的(de)速度、切(qie)(qie)(qie)割斷(duan)面的(de)效果(guo)等諸多優勢，對所使用的(de)氧氣純度要(yao)求(qiu)較高，一般要(yao)求(qiu)純度為99.99%。

03

大功率激光切(qie)割機的特點

3.1 技術突破

（1）高動(dong)態性能(neng)的(de)高速切割機床

搭載萬(wan)瓦(wa)級光纖激(ji)光器(qi)的(de)機床，采用新款(kuan)的(de)三角形結構(gou)橫梁，其特(te)(te)點：①重量(liang)減輕30%，動(dong)態性(xing)能明顯提升(sheng)。②較大移動(dong)速度可達到200m/min，加(jia)速度為(wei)4g的(de)動(dong)態響應特(te)(te)性(xing)。③底(di)座增加(jia)了重量(liang)，約為(wei)20%，改變機床固定方式，消除高加(jia)速度運動(dong)對機床沖擊力的(de)影響。

（2）全新(xin)的軟(ruan)件系(xi)統

軟件(jian)及(ji)控制系(xi)統(tong)就(jiu)像機(ji)床(chuang)的大腦及(ji)指揮中心，機(ji)床(chuang)運行的精度(du)、效(xiao)率除了硬件(jian)升級帶來(lai)的紅利之外，整機(ji)性能的差異(yi)主要來(lai)自于(yu)軟件(jian)及(ji)控制系(xi)統(tong)的不同，且往(wang)(wang)往(wang)(wang)差異(yi)很大。

（3）可實現速度達(da)100m/min的穩定切割

①電容式傳感器的(de)響應速度比(bi)傳統(tong)的(de)切割頭提(ti)高了(le)3倍(bei)。②Z軸速度提(ti)升，運行(xing)無停頓(dun)，且(qie)更為流暢，薄板(ban)切割效率提(ti)升30%以上(shang)，提(ti)升蛙跳功(gong)(gong)能的(de)效能，改進了(le)加速度適應功(gong)(gong)能。③完善快速穿孔與精密穿孔功(gong)(gong)能以及遠(yuan)程診斷功(gong)(gong)能，為實(shi)現“工業4.0”的(de)功(gong)(gong)能預留(liu)了(le)智能接口[2]。

3.2 切割(ge)頭(tou)特點

大功(gong)(gong)(gong)率切(qie)(qie)割(ge)(ge)頭(tou)(tou)(tou)在高(gao)功(gong)(gong)(gong)率連續作(zuo)業的(de)情況下是確(que)保切(qie)(qie)割(ge)(ge)穩定(ding)的(de)核(he)心部(bu)件(jian)，具有(you)以下特點(dian)：①大功(gong)(gong)(gong)率切(qie)(qie)割(ge)(ge)頭(tou)(tou)(tou)有(you)著密封性更(geng)好和(he)冷卻更(geng)充分的(de)冷卻系統、應用范(fan)圍更(geng)加廣泛的(de)焦點(dian)和(he)耐高(gao)溫的(de)鏡(jing)片。②大功(gong)(gong)(gong)率熱透鏡(jing)效應的(de)影(ying)響，切(qie)(qie)割(ge)(ge)頭(tou)(tou)(tou)在長時間的(de)工作(zuo)下，光束會有(you)焦點(dian)漂移的(de)現象發生，為了克(ke)服焦點(dian)漂移的(de)問題(ti)，大功(gong)(gong)(gong)率切(qie)(qie)割(ge)(ge)頭(tou)(tou)(tou)采用了新(xin)的(de)氣路設(she)計結構及更(geng)換了新(xin)結構的(de)噴(pen)嘴(zui)，從而來(lai)提高(gao)切(qie)(qie)割(ge)(ge)的(de)速度及切(qie)(qie)割(ge)(ge)的(de)穩定(ding)性。

3.3 大功率激(ji)光切割能(neng)力

（1）切割厚板的厚度不(bu)斷(duan)提升

目前大(da)功率(lv)(lv)激(ji)(ji)光(guang)切(qie)割機(ji)切(qie)割鋁合金板(ban)材(cai)厚(hou)度可達40mm，不(bu)銹鋼板(ban)材(cai)厚(hou)度可達130mm，隨著大(da)功率(lv)(lv)激(ji)(ji)光(guang)切(qie)割機(ji)技術的不(bu)斷升級，切(qie)割材(cai)料(liao)的厚(hou)度還會不(bu)斷增(zeng)加(jia)(jia)，加(jia)(jia)工厚(hou)板(ban)的價格(ge)會逐(zhu)漸降低(di)，并加(jia)(jia)快促進大(da)功率(lv)(lv)激(ji)(ji)光(guang)切(qie)割機(ji)在厚(hou)板(ban)領域中的應用[3]。

（2）切割中(zhong)薄板的效率倍增

①切(qie)(qie)(qie)割(ge)厚度(du)(du)為(wei)3～10mm的(de)不(bu)銹鋼板材(cai)時，10 000W激(ji)光(guang)切(qie)(qie)(qie)割(ge)機(ji)的(de)切(qie)(qie)(qie)割(ge)速度(du)(du)是6000W的(de)兩倍以(yi)上。②10 000W激(ji)光(guang)切(qie)(qie)(qie)割(ge)機(ji)在碳素鋼的(de)切(qie)(qie)(qie)割(ge)應(ying)用(yong)中，可以(yi)達到(dao)18～20mm/s的(de)快(kuai)速亮面(mian)切(qie)(qie)(qie)割(ge)，是普通標準切(qie)(qie)(qie)割(ge)速度(du)(du)的(de)兩倍。③可以(yi)用(yong)壓(ya)縮空氣或(huo)氮氣切(qie)(qie)(qie)割(ge)12mm以(yi)內的(de)碳素鋼板，切(qie)(qie)(qie)割(ge)效(xiao)率是氧氣切(qie)(qie)(qie)割(ge)碳素鋼速度(du)(du)的(de)6~7倍。

3.4 床(chuang)身特(te)點

（1）設(she)備配(pei)備了chao強承重的機械(xie)結構

大(da)功(gong)率切割機都配備了鑄(zhu)鐵(tie)床身(shen)，采(cai)用較低(di)抗(kang)拉強(qiang)度(du)200MPa的(de)片狀(zhuang)石(shi)墨(mo)鑄(zhu)鐵(tie)一體澆鑄(zhu)成形，含碳(tan)量、抗(kang)壓強(qiang)度(du)、減振性(xing)以及耐(nai)磨性(xing)等都有大(da)幅(fu)度(du)的(de)提高(gao)（見圖3）。

（2）鑄(zhu)鐵床身的特性

①床(chuang)身(shen)具備良好(hao)的(de)潤滑性(xing)能、耐腐蝕性(xing)和尺寸穩定(ding)性(xing)，減少因床(chuang)身(shen)振(zhen)動帶來的(de)加工誤差。②降低設備在使(shi)用時的(de)損(sun)耗，提(ti)高(gao)穩定(ding)性(xing)系數30%以上(shang)，提(ti)高(gao)質(zhi)量精度30%以上(shang)，提(ti)高(gao)床(chuang)身(shen)壽命達70年(nian)以上(shang)。

3.5 自動更(geng)換噴嘴

（1）手動(dong)更(geng)換噴嘴模式(shi)

切割中根據切割材料的厚度(du)及材質需(xu)要更(geng)換噴(pen)(pen)嘴，多(duo)年來一直采(cai)用人(ren)(ren)工手動(dong)更(geng)換噴(pen)(pen)嘴的形式，這樣(yang)不僅效(xiao)率低下，需(xu)要技術人(ren)(ren)員重(zhong)復勞動(dong)，而且難以(yi)保障更(geng)換后的精度(du)和穩定(ding)性。如何高，效(xiao)、快速地更(geng)換噴(pen)(pen)嘴，并(bing)保障每次更(geng)換都(dou)萬無一失(shi)并(bing)保持精度(du)，是激光切割領(ling)域的一個技術難題(ti)。

（2）自(zi)動(dong)更換噴嘴技術

大功率激(ji)光(guang)切割機應(ying)用(yong)了噴嘴(zui)自(zi)(zi)動更換(huan)的功能。可(ke)實(shi)現噴嘴(zui)的自(zi)(zi)動更換(huan)、激(ji)光(guang)頭的標定、噴嘴(zui)全自(zi)(zi)動清(qing)洗等功能，降低了人工重(zhong)復勞動量。噴嘴(zui)自(zi)(zi)動更換(huan)時在(zai)觸摸屏上操作相應(ying)的命令即可(ke)實(shi)現。自(zi)(zi)動更換(huan)噴嘴(zui)技術具有以下優勢：

1）降低勞動強(qiang)度(du)，保障了(le)更換(huan)噴(pen)嘴時的定位精(jing)度(du)和工作穩定性。

2）配(pei)套(tao)了(le)完善的(de)控制系統，能實現根據不同(tong)的(de)材質(zhi)和不同(tong)的(de)板厚自動更(geng)換噴嘴的(de)型號和規格，減少(shao)了(le)由人工來(lai)更(geng)換的(de)時間，從而提高了(le)生產效率。

3）自動更(geng)換噴嘴(zui)為全封閉(bi)式的(de)防(fang)護(hu)裝置，為噴嘴(zui)設(she)備和人身安(an)全提供了很好的(de)保障(zhang)。

3.6 閃電穿孔及級(ji)限小孔成形

（1）閃電(dian)穿孔

穿(chuan)孔時間(jian)短，熱聚(ju)焦(jiao)能(neng)量小，起刀(dao)點穩定，保持隨動系統的(de)穩定性，可以(yi)保障(zhang)達(da)到較佳的(de)切割效果。閃電穿(chuan)孔優點見表2。

（2）級限小孔(kong)

激(ji)光切(qie)割(ge)(ge)行業，一(yi)直認為板材的厚(hou)度即為切(qie)割(ge)(ge)小(xiao)(xiao)孔的較小(xiao)(xiao)直徑，大功(gong)率激(ji)光切(qie)割(ge)(ge)機(ji)可以(yi)實現較小(xiao)(xiao)孔的直徑為板厚(hou)的0.15倍(bei)，甚至更小(xiao)(xiao)，如圖4所(suo)示。

04

大功率激光切割(ge)機(ji)的優勢

（1）高速度

激光切割(ge)速度已(yi)chao過(guo)20m/min，加工切割(ge)機的兩軸(zhou)移(yi)動(dong)速度可以(yi)達(da)到(dao)250m/min，加速度在(zai)運(yun)行過(guo)程中已(yi)經達(da)到(dao)10g左右。

（2）高(gao)精(jing)度(du)

1mm厚的(de)板(ban)材中(zhong)?10mm左(zuo)右的(de)小孔，每(mei)分鐘可(ke)以(yi)切割500個左(zuo)右。在切割過程中(zhong)這些小孔之間的(de)誤(wu)差非常小。

（3）向厚(hou)板方向發(fa)展

大功率激光切(qie)(qie)割(ge)機(ji)的功率逐(zhu)步(bu)加大，相應切(qie)(qie)割(ge)的厚(hou)板尺(chi)寸也不斷增加。

（4）向大尺(chi)寸方向發展

激光(guang)切割(ge)(ge)技術的加工尺寸(cun)(cun)范圍也(ye)在不斷加大，激光(guang)切割(ge)(ge)技術已經開始朝(chao)著大尺寸(cun)(cun)的方向發展。

（5）自(zi)動無人(ren)化

激(ji)光切(qie)割(ge)技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)自動無(wu)(wu)人(ren)化(hua)具有發展(zhan)的(de)必要(yao)性和緊迫性。①計算(suan)機(ji)網絡技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)應用(yong)促(cu)使激(ji)光切(qie)割(ge)技(ji)(ji)術(shu)(shu)實(shi)(shi)現了自動無(wu)(wu)人(ren)化(hua)。②市(shi)場對這種技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)應用(yong)需(xu)求也(ye)不斷增大，促(cu)使激(ji)光切(qie)割(ge)技(ji)(ji)術(shu)(shu)要(yao)實(shi)(shi)現全(quan)自動無(wu)(wu)人(ren)化(hua)。

（6）智能化

按照工(gong)業4.0的(de)(de)技術要求，緊(jin)跟智能制造的(de)(de)步伐。采用(yong)準(zhun)確(que)的(de)(de)圖形(xing)識別(bie)技術，簡單的(de)(de)操作工(gong)序(xu)，便捷的(de)(de)人機(ji)智能交互(hu)，實現了激(ji)光器與計算機(ji)控(kong)(kong)制、數(shu)控(kong)(kong)技術、光學系統、高精(jing)度和(he)自(zi)動化定位裝置等結合起來，將自(zi)動排料、切割工(gong)藝數(shu)據庫、遠程故障(zhang)診斷、遠程控(kong)(kong)制等集成為一體，滿足大批量及復雜零件加工(gong)的(de)(de)需要[3-4]。

05

結束語

（1）大功率設(she)備發展

激(ji)(ji)光(guang)切(qie)(qie)割(ge)(ge)作為切(qie)(qie)割(ge)(ge)加(jia)工(gong)中非常理想的加(jia)工(gong)手段，代表著(zhu)現代金屬加(jia)工(gong)技術的發(fa)展方向(xiang)。大(da)功(gong)率(lv)激(ji)(ji)光(guang)切(qie)(qie)割(ge)(ge)機目(mu)前也(ye)正在向(xiang)著(zhu)高速度(du)、高精度(du)、大(da)幅面(mian)、三維(wei)切(qie)(qie)割(ge)(ge)及特(te)種(zhong)材料切(qie)(qie)割(ge)(ge)等領域進(jin)行關鍵性(xing)技術研究和發(fa)展，從而促(cu)進(jin)大(da)功(gong)率(lv)激(ji)(ji)光(guang)切(qie)(qie)割(ge)(ge)的技術發(fa)展來滿足日(ri)益(yi)增(zeng)長的市場(chang)需(xu)

求。

（2）大功率(lv)設備(bei)選(xuan)擇

一(yi)些企(qi)業(ye)在(zai)選(xuan)擇(ze)大功(gong)(gong)率激(ji)光切(qie)割設備時，需要(yao)慎重考慮(lv)：除了切(qie)割速度(du)(du)(du)和精度(du)(du)(du)外，特別要(yao)檢驗滿功(gong)(gong)率連續切(qie)割時的(de)穩定性和一(yi)致性，機床(chuang)(chuang)的(de)速度(du)(du)(du)匹配能力，機床(chuang)(chuang)控制的(de)先，進(jin)性及精度(du)(du)(du)壽命等。不能像購買小功(gong)(gong)率激(ji)光切(qie)割設備那(nei)樣(yang)，簡單比較(jiao)價格因素。大功(gong)(gong)率意味著高投(tou)入，高投(tou)入蘊含(han)著高風(feng)險。企(qi)業(ye)在(zai)進(jin)入這個高回報市場時，一(yi)定要(yao)認識到其風(feng)險性。