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激光自动化切割设备的技术特点及应用前景

浏览次数: 日期:2016年10月11日 09:14

  一、前言   激光自动化切割设备技术是一门发展极快的新型制造技术,与传统的火焰切割,等离子切割等传统切割技术比较,具有加工精度高,热变形小,切割面质量好,对于切割要求高的场合是一种理想的切割加工技术,激光自动化切割设备的普及应用将为我国传统工业的技术改造、新兴工业领域以及制造业的现代化提供技术装备。面对日益增长的巨大的激光自动化切割设备应用市场和国际竞争新格局,激光自动化切割技术产业化急需有一个大的发展。这种状况给国内从事激光自动化切割设备生产企业带来机遇和挑战。   我国激光自动化切割设备技术产业正处在高速迅猛发展期,直至去年,我国激光产业已初具规模。作为一种制造技术,激光技术日益深入各行各业,对我国制造产业的转型升级起着作用。   激光自动化切割设备的分类主要是以光源种类、光源功率、切割维度(平面或三维)来区分;其中细分技术指标为切割速度、切割精度、运动机构的驱动方式、手动或自动对焦功能、工作台尺寸等。   

二、激光源分类及其技术特性   要谈论激光自动化切割设备技术的技术特性,首先要了解激光源,因为激光源直接决定了激光切割设备的其他技术性能指标。   目前市场销售的激光自动化切割设备的激光源主要有: 1.CO2激光 2.光纤激光 3.YAG激光   CO2激光器的激光工作物质为CO2混合气体,其主要应用的激光波长为10.6μm。由于该种激光器的激光转换效率较高,同时激光器工作产生的热量可以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外,其激光输出平均功率可以做到很高的水平(万瓦以上),满足大功率激光加工的要求。   CO2激光器以功率来划分可分为:小功率中功率,大功率CO2激光器:   低功率(小于200瓦)CO2激光的应用   主要为电子工业(如电阻制造、IC标志)、非金属加工业(竹木雕、服饰、制鞋、饰品制造等)和部分医疗和研究单位所使用。   中高功率(200-1600)CO2激光的应用   模具业,各种机器零部件切割,汽车钣金切割 ,计算机、电气机壳的钣金切割,特殊材料切割如: 塑胶、玻璃、模具等非金属的切割 .   高功率(大于1600瓦)CO2激光的应用   大于1600瓦的高功率CO2激光,主要被应用在金属切割,焊接和表面处理上,在工业先进国家已逐渐被国防、汽车和航天工业里一些特殊领域所采用。   传统的高功率轴快流CO2激光器仍是高功率激光切割加工装备中的主流配置,虽然光纤激光近年来发展势头迅猛, 国内外用于激光加工的大功率CO2激光器,主要是横流、轴流激光器。 横流激光器的光束质量不太好,为多模输出,主要用于热处理和焊接。我国目前已能生产各种大功率横流CO2激光器系列,可满足了国内激光热处理和焊接的需求。 轴流激光器:轴流激光器的光束质量较好,为基模或准基模输出,主要用于激光切割和焊接,我国激光切割设备市场主要由国外轴流激光器所有。尽管国内激光器厂商在国外轴流激光器上做了许多工作,但由于主要配件还需进口,产品价格难以大幅度下降,普及CO2激光器光束质量好和横流CO2激光器造价低、体积小的优点。该种工业加工激光器的推广应用,将对我国激光加工产业的发展和普及起到积极的作用。   20世纪60年代末我国已开始了高功率CO2激光器及其应用的研究。经过30多年的努力,现在已形成了500W~10kW系列产品的生产能力,大约有10多家公司和单位能够生产500W以上的CO2激光器,其中包括楚天,华工,大族,南京东方,南京通快,上海普瑞玛。不过从整体上来说中国激光器与国外的相比还有一定距离,所有中国市场,大部分使用的是进口产品。国际品牌包括:R ofin(罗芬), Trumpf(通快),PRC,Coherent(相干),Access(美国大通),Prima(普瑞玛),瑞士百超,日本三菱,日本马扎克,日本Amada。 总体来说,我国CO2激光技术经过多年的培育,有了一定的发展,正在形成规模,我国大部分切割机上所有的大功率CO2激光器至今仍依赖进口。与国外相比,国内高功率CO2激光器就其激光质量及其测控系统而言,还有一定的差距。     光纤激光切割技术在国内仅在不到5年内出现, 光纤激光器的优越性主要体现在:光纤激光器是波导式结构,具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性,易于实现和光纤的耦合,输出峰值功率可高达数百千瓦,波长1.06μm附近,对大部分材料吸收效率较高,体积小,重量轻,便于移动,聚焦光斑直径较小(10~100 μm),能够实现切割,从而能够免去一些后期处理步骤。通过光纤输出,易于与机械手配合,实现激光远距离加工,总体光电转换效率高达25%~30%,可以长时间稳定工作,维护方便,运行成本低。 虽然光纤激光切割擅长切割大部分材料,但是其不能用于切割丙烯酸类或聚碳酸酯类材料,而且仅能切割有限应用领域中的木质或纤维材料 生产光纤激光器的公司有:SPIIPG,国内的有锐科激光(华工激光旗下)。   YAG激光器输出的波长为1.06um,恰好比CO2激光波长10.06μm小一个数量级,传统的固体激光器通常采用高功率气体放电灯泵浦。泵浦灯发射出的大量能量转化为热能,不仅造成固体激光器需采用笨重的冷却系统,而且大量热能会造成工作物质不可消除的热透镜效应,使光束质量变差。加之泵浦灯的寿命约为300小时,操作人员需花很多时间频繁的换灯,中断系统工作,使自动化生产线的效率大大降低,但如果采用二极管泵浦的固体激光器,则可以很好的避免这一点。   YAG固体激光切割机具有价格低、稳定性好的特点,但能量效率低一般<3%,目前产品的输出功率大多在600W以下,由于输出能量小,主要用于打孔和点焊及薄板的切割。它的绿色的激光束可在脉冲或连续波的情况下应用,具有波长短、聚光性好适于加工特别是在脉冲下进行孔加工,也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固体激光切割机激光器的波长不易被非金属吸收,故不能切割非金属材料,且YAG固体激光切割机需要解决的是提高电源的稳定性和寿命,即要研制大容量、长寿命的光泵激励光源,如采用半导体光泵可使能量效率大幅度地增长。

  三、CO2激光切割机与光纤激光切割机的比较   首先,作为主流的传统的激光切割、焊接设备都采用CO2激光器,可以稳定切割20mm以内的碳钢,10mm以内的不锈钢,8mm以下的铝合金。光纤激光器在切割4mm以内的薄板时优势明显,受固体激光波长的影响它在切割厚板时质量较差。CO2激光器的波长为10.6um,固体激光器如YAG或光纤激光器的波长为1.06um,前者比较容易被非金属吸收,可以高质量地切割木材、亚克力、PP、有机玻璃等非金属材料,后者却不易被非金属吸收,故不能切割非金属材料,但两种激光在碰到铜、银、纯铝等高反射材质时都欠佳。   其次,正是由于CO2和光纤激光两者的波长相差一个数量级,前者是不能用光纤传输的,后者可以用光纤传输,大大增加了加工的柔性化程度。早期在光纤激光器推出市场之前,为了实现三维加工,我们采用光关节技术通过高度配合的动态的组合反射镜系统将CO2激光导到三维曲面表面,实现CO2激光的三维加工,这种技术因为国内加工技术的限制主要掌握在极少数欧美发达国家手里,价格昂贵,维护要求高,在光纤激光的市场份额逐渐扩大的同时已经逐渐失去其市场。而光纤激光由于它可以通过光纤传输,柔性化程度提高,特别是针对汽车行业,由于基本上都是1mm左右的薄板曲面加工,光纤激光配合同样柔性化的机器人系统,成本低,故障点少,维护方便,速度奇快,当仁不让地稳稳占领了这块市场。不过,光纤激光作为一种新兴的激光技术,普及程度远远不如CO2激光,其稳定可靠性、售后服务的便利性还有待市场的长期观察。   另外,光纤激光器搭配机器人的柔性加工系统在汽车行业及配套产业的高地位由来已久,以往是被国外集成商所垄断,近年来由于金融危机及汽车产业生产技术的不断提升,尤其是国内激光技术厂家如华工激光法利莱在国家政策的支持下对技术的攻关,在近几年给汽车用户提供的汽车白车身焊接、汽车仪表板激光弱化、汽车保险杠、车门、中柱等机器人柔性切割、汽车保险杠激光焊接、汽车排气管在线焊接系统、汽车变档套激光自动切割设备等等。   综上所述,激光应用的方向应该是高功率的CO2激光应用在更稳定、更大幅面、更快速的机床上。针对2mm以下的三维曲面加工,光纤激光则是更有优势。  

 四、YAG激光器与CO2激光器比较   YAG激光器输出的波长为1.06um,恰好比CO2激光波长10.06μm小一个数量级,因而使其与金属的偶合效率高、加工性能良好,YAG激光器能与光纤偶合,借助时间分割和功率分割多路系统能方便地将一束激光传输给多个工位或远程距离工位,便于激光加工实现柔性化;YAG激光器能以脉冲和连续两种方式工作,其脉冲输出可通过调Q和锁模技术获得短脉冲及超短脉冲,从而使其加工范围比CO2激光更大;YAG激光器结构紧凑、重量轻、使用简便可靠、维修要求较低,价格相对低廉,故其应用前景看好。   YAG激光器的主要缺点是:   1.其转换效率较低,这比CO2激光器的效率约低一个数量级;   2.YAG激光棒在工作过程中存在内部温度梯度,因而会引起热应力和热透镜效应,限制了YAG激光器平均功率和光束质量的进一步提高;   3.YAG激光器每瓦输出功率的成本费比CO2激光贵。   4. 目前产品的输出功率大多在600W以下,由于输出能量小,主要用于打孔和点焊及薄板的切割。   

五、激光切割设备取代传统加工工艺的趋势分析   激光切割是钣金加工的一次工艺革命。激光切割柔性化程度高,切割速度快,生产效率高,产品生产周期短,为客户赢得了广泛的市场。激光切割无切削力,加工无变形;无刀具磨损,材料适应性好;不管是简单还是复杂零件,都可以用激光一次快速成形切割;其切缝窄,切割质量好、自动化程度高,操作简便,劳动强度低,没有污染;可实现切割自动排样、套料,提高了材料利用率,生产成本低,经济效益好。该技术的有效生命期长,目前在国外2毫米以下的板材大都采用激光切割,许多国外的专家一致认为今后30-40年是激光加工技术发展的黄金时期(是钣金加工发展的方向),最近几年我国钣金加工技术水平和产品质量都有了飞速发展,这与加工企业逐步普及使用激光切割机是密不可分的。 在钣金行业,激光切割机将在很大范围内替代数控冲床,激光切割机较数控冲床的优势有以下6个方面: 1、不需要开模,只在电脑上将图作出,产品马上就可以出来,即能快速开发新产品,又能节约成本。2、激光切割机有自动跟踪系统,所以即能完成平面切割,也能完成各种高低不平的曲面切割。3、复杂的工艺要求数控冲床难以完成,激光切割都能做到。 4、能完成各种复杂结构的加工,只要能在电脑上画出任何图像,该机都能完成加工。5、成型的箱体(厚0.5米以内)需增加孔槽等处理,数控冲床无法处理,金属激光切割机能解决。6、表面非常光滑,产品档次很高,数控冲床难以做到。   由于激光切割机具有众多优点,随着金属加工行业的发展,金属激光切割机的优势也越来越明显,因此激光切割机所占地位比重也越来越大了。   三维激光切割在提高产品质量、生产效率,缩短产品开发周期、降低劳动强度、节省原材料等方面优势明显。因此,尽管设备成本高、一次性投资大,国内还是有很多汽车、飞机生产厂家购进了三维激光加工机,部分高校也购进了相应设备进行科研,三维激光技术势必在我国制造业中发挥着越来越大的作用。   激光切割应用广泛的领域是汽车车身设计及制造,主要用来开发新车型、在线切割、变形车生产,例如切割样车零件,车身覆盖件的切孔、修边,切割方向盘孔、车身挡风板、车顶盖支架孔、液压成型部件等。BMW、奔驰、FiatVolvo、大众、日产等公司都拥有用于车身加工的五轴激光加工机。

目前美国、欧洲和日本的许多船舶制造厂商很早就把高输出功率的CO2激光切割机技术用于造船,并取得了成功。   这些年“精度造船”的提法已是耳熟能详,要做到这一点,单就数控切割来看,目前国内船厂的设备显然达不到技术要求,人们关注的目光自然投向了切割精度更高的激光切割,无疑这将成为数控激光切割机进军中国造船业的原动力。光电技术的日新月异,使激光切割的作业成本(/kW)大为降低,加上各生产厂家为占得先机进行的激烈市场争夺,必然会促使激光切割机的价格走低,使其在综合经济效益方面与数控等离子切割机形成竞争而被我国造船业逐步认知和接受。   可以说,激光切割技术已经渗透到国民经济的各个领域,可以预见在今后几年内,激光切割技术将以较高的速度在各制造业内推广使用,将为我国制造业向高精尖方向发展作出重要贡献。   六、我国中小功率激光切割设备市场规模分析   据《工业激光解决方案》(ILS)统计,2008年全球激光加工设备约为63.6亿美元; 2009年,受全球金融危机影响,中小功率激光切割机行业增长将显著减缓。2010年以后恢复增长,到2012年,预计全球中小功率激光切割机行业规模将达到13.1亿美元。 图表 1 全球中小功率激光切割机行业规模 (单位:亿美元)


 

 

  在我国,中小功率激光加工设备中激光切割机和打标机占据80%的市场份额,是中小功率激光加工中的加工设备。2008年我国中小功率激光切割设备市场规模为4.02亿元,2009年受全球金融危机影响我国中小功率激光切割机的增长幅度放缓,预计今年2012年我国中小功率激光切割机规模将达到10.4亿元人民币。激光切割机作为传统工具的新型替代产品面临的市场前景广阔。
图表 2 2006-2012年中国中小功率激光切割机的销售情况
单位:亿元人民币

 

 

七、展望未来   我国激光企业具有群体聚集性,主要分布在五个产业带:珠三角、长三角、华中、环渤海地区,以及新兴的东北工业振兴区。另外,西部产业带也将成形。   激光加工是国外激光应用中的项目,也是对传统产业改造的手段,主要是kW 级到 10kW CO2激光器,光纤激光器和百瓦到千瓦级 YAG 激光器实现对各种材料的切割。自上世纪七十年代初,激光切割技术投入生产应用以来,发展速度快,技术日趋完善。据测算,未来5年,中国激光产品市场需求将超过600亿元。目前,工业较为发达国家对这一技术的运用较为广泛。促使激光切割技术获得更多使用的主要原因是:激光切割具有热变形小、切割精度高、易于实现无人自动切割。通过使用改进型的大功率激光切割机床结合智能的数控系统,使其切割速度更快、厚度更高、获得的切割边缘质量更好,使激光加工技术,特别使大功率的激光加工技术获得了广泛的应用与发展。 我国的主力激光器产品正从单一走向多品种,例如,5KW10KW的横流CO2激光器已经在工业中应用,3KW4KW6KW CO2轴流激光器也已面市,半导体直接激光器实现了10KW的功率。 激光器的未来发展趋势集中在半导体激光器、光纤激光器、碟片激光器等。我国应重视对碟片激光器的研发。随着激光器的国产化逐步成熟,质量逐步提高,激光器价格逐步降低,我们有理由相信,激光切割设备的普及应用的时代已经为期不远了。   激光切割是当前各国应用很多的激光加工技术,在国外许多领域,例如,汽车制造业和机床制造业都采用激光切割进行钣金零部件的加工。随着大功率激光器光束质量的不断提高,激光切割的加工对象范围之广,几乎包括了所有的金属和非金属材料。例如,可以利用激光对高硬度、高脆性、高熔点的金属材料进行形状复杂的三维立体零件切割,这也正是激光切割的优势所在。 以金属切割为例,各种加工手段呈现一个百花齐放的态势,包括激光、火焰切割、电火花加工、线切割、水切割。各种切割手段各有优势,又都存在一定的局限性。从现今人们所掌握的各种切割技术来看,激光切割技术无疑是较好切割方法。除了上面所述的特点外,激光切割还具有噪声低、污染小等优点。随着人们环保意识的不断增强,加之激光源制造成本的下降,这样激光切割技术优势更为突出。利用激光切割技术替代火焰和等离子切割,将成为今后切割技术发展的趋势。 激光切割是用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面,使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。激光切割的优点是由于激光光斑小,能量集中,所以切割的割缝小、无挂渣、几乎没有热变形,切割面光滑。总体而言,激光切割工艺与其它切割工艺如火焰切割、等离子切割、高压水射流切割等相比具有以下特点:  1.精度高:定位精度0.05mm,重复定位精度0.02 mm   2.切缝窄:激光束聚焦成很小的光点,使焦点处达到很高的功率密度,材料很快加热至气化程度,蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动,使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切口宽度一般为0.100.20mm。   3.切割面光滑:切割面无毛刺,切口表面粗糙度一般控制在Ra12.5以内。   4.速度快:切割速度可达10m/min,定位速度可达70m/min,比线切割的速度快很多。   5.切割质量好:无接触切割,切边受热影响很小,基本没有工件热变形,完全避免材料冲剪时形成的塌边,切缝一般不需要二次加工。   6.不损伤工件:激光切割头不会与材料表面相接触,保证不划伤工件。   7.不受被切材料的硬度影响:激光可以对钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金等进行加工,不管什么样的硬度,都可以进行无变形切割。   8.不受工件形状的影响:激光加工柔性好,可以加工任意图形,可以切割管材及其它异型材。   9.可以对非金属进行切割加工:如塑料、木材、PVC、 皮革、纺织品、有机玻璃等。   10.节约模具投资:激光加工不需模具,没有模具消耗,无须修理模具,节约更换模具时间,从而节省了加工费用,降低了生产成本,尤其适合大件产品的加工。   11.节省材料:采用电脑编程,可以把不同形状的产品进行整张板材料套裁,提高材料的利用率。   12.提高新产品开发速度:产品图纸形成后,马上可以进行激光加工。   13.环保:激光加工熔渣极少,噪音极小,清洁、大大改善了工作环境。   切割行业的发展始终与金属制造企业发展是分不开的,通过与这些企业的紧密合作和技术交流,给切割行业带来了许多不同的生产理念和富有挑战性的经验和技术。现代金属制造企业为了优化其产品的结构性能,使得产品更经济,生产周期更短。这就对其原有的制造技术和生产工艺提出新的设想和要求,部分设想和要求将要在切割设备上得以实现,这样就对我们切割行业提出了新的课题和新的设计理念。   

与国际上激光加工系统相比,我国的激光加工系统还存在较大差距,但是我国激光设备生产企业正在积蓄力量稳步进入,国内应用市场也有很大发展空间,激光工业将在我国获得发展。综其原因,有以下几个方面:   1.国家重视,各级政府部门都在积极关注、规划、立项,多方面资金正在注入。特别是国家强调立项主体由大专院校,科研部门料转到以企业为主,这就促进了企业产品的自主创新,技术升级。   2.国内各类制造业接受了激光加工技术,它可使他们的产品增加技术含量,加快产品更新换代,采用它可达到“敏捷制造”的水平,满足市场对“个性化”产品的要求。   3.国内已逐步形成了产业群体激光零部件配套企业慢慢补齐,各类具有特色的激光加工系统制造商纷纷建立,国内已形成四个激光加工装备制造的产业带,它们主要分布在华中;珠江三角洲;长江三角洲和京津环渤海经济发达地区。   4.国际上知名的激光加工制造商有的在华投资建厂;有的以国内合资生产,总趋势是纷纷进入,形成国际竞争国内化。   5.国内在主力激光器方面逐步过关,进入市场应用。如大功率轴流CO2激光器,中小功率金属腔射频CO2激光器,半导体泵浦全固态激光器、光纤激光器、及倍频DPL、大功率二极管模块等,正蓄势待发,进入产品化初期,进入市场。为国产激光加工的开拓新应用创造条件。  

 激光加工技术一直是国家支持和推动应用的一项高新技术,特别是政府强调要振兴制造业,这就给激光加工技术应用带来发展机遇。在国家制定中长远期发展规划时,又将激光加工列为关键支撑技术,因为它涉及国防建设、高新技术的产业化和科技前沿的发展,这就把激光加工提升到很高的重视程度,也必将给激光加工机的制造和升级带来很大的商机。由于对国内市场的各种宣传、展示、普及和为用户培训,也大大地把激光加工的市场拓大拓宽,给国内用户带来采用这种制造技术的信心和决心,促成激光加工得以越来越广泛应用的外部环境,这便是我们经常说的市场牵动。市场牵动又推动着激光加工机械,形成连锁反应。正因如此推动,目前已经形成激光加工机生产企业达200余家,从业人员近2万,具有中高级职称的员工约占30%,已经形成一支具有相当实力的产业队伍。同时,也吸引了世界各地许多激光加工设备制造商的关注和跟进,国内市场已经国际化了。

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