淺談萬瓦激光切割技術(shù)在我國的發(fā)展與應(yīng)用

文/楊緒廣·濟南邦德激光股份有限公司

激光是人類近代以來劃時代的發(fā)明成就，與原子能、半導(dǎo)體、計算機并列為20世紀的“新四大發(fā)明”，激光技術(shù)的進步大幅促進了物理學(xué)、光學(xué)革命性的發(fā)展，同時對其他學(xué)科的技術(shù)及應(yīng)用，如機電工程學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)等也都產(chǎn)生了巨大的影響，對人類社會文明產(chǎn)生了極其深遠的意義。

萬瓦激光切割技術(shù)的發(fā)展歷程

我國激光技術(shù)應(yīng)用于材料加工起步于1985年，2000年前后實現(xiàn)了二氧化碳激光切割設(shè)備的批量銷售，自此中國進入了激光材料加工高速增長的“黃金20年”。期間，在2009年誕生的光纖激光材料加工技術(shù)，進一步促進了激光材料加工市場的“井噴”。至此，300W、500W到2015年的6000W、2018年的10000W，再到2020年20000W、30000W，無論是市場容量還是主流功率，都呈現(xiàn)出“指數(shù)級”增長的趨勢；切割材料的厚度也從1至5mm，變?yōu)椴讳P鋼最大150mm，碳鋼70mm（圖1）；可切割種類也不斷增多；最大的切割速度也已超過100m/min，達到了傳統(tǒng)機械驅(qū)動精度保證的極限。

光纖激光加工技術(shù)的面世并實現(xiàn)全面普及，第一是得益于光纖激光器光電轉(zhuǎn)換率高、切割速度快、割縫小、光斑質(zhì)量高、切割精度高等來自本身顯著的技術(shù)特點；第二是得益于中國經(jīng)濟的高速發(fā)展以及制造業(yè)的升級轉(zhuǎn)型，恰逢其會；第三是隨著工業(yè)4.0和綠色環(huán)保理念的逐漸普及，自動化、傳感等先進技術(shù)的不斷加持、融合，大幅提高了激光切割設(shè)備的自動化、智能化水平。同時，以低能耗、低污染、高材料利用率、高質(zhì)量的優(yōu)勢，逐漸實現(xiàn)對火焰、等離子等傳統(tǒng)熱加工的替代，進一步獲得市場增量。

但隨著激光切割設(shè)備的功率進入到萬瓦時代，整個行業(yè)對激光切割下一步的發(fā)展方向和趨勢有著不同的爭議，功率似乎已經(jīng)超過了行業(yè)的需求，而更高功率的工業(yè)應(yīng)用前景并不清晰，是要更厚還是要更快，莫衷一是。尤其受今年疫情的影響，整個行業(yè)有競爭白熱化、低端化和技術(shù)空心化的趨勢，價格戰(zhàn)早已開啟。

由此，筆者結(jié)合20年的個人行業(yè)經(jīng)驗以及本司多年的市場數(shù)據(jù)分析，以“第一性原理”視角，回到起點、回歸本質(zhì)，分析行業(yè)、客戶的真實需求，就超高功率光纖激光技術(shù)在金屬切割領(lǐng)域的進一步發(fā)展與應(yīng)用發(fā)表一些淺見，進而拋磚引玉，希望對行業(yè)發(fā)展盡微薄之力。

激光切割與常規(guī)切割在中厚板領(lǐng)域的工藝對比

光纖激光切割機發(fā)展初期憑借速度快、精度高的特點進入到鈑金加工行業(yè)，很快就覆蓋了廣告、燈箱、環(huán)保、廚具等薄板行業(yè)。而隨著激光器功率的不斷增大，切割能力越來越強，激光切割設(shè)備也逐漸在工程機械、汽車船舶、鋼結(jié)構(gòu)、軌道交通、模具等中厚板乃至厚板加工行業(yè)快速普及，并憑借優(yōu)秀的切割質(zhì)量、加工效率以及低廉的使用成本顛覆了傳統(tǒng)的切割工藝。以目前的金屬板材成形加工工藝為例，過程大致如圖2所示。

作為加工過程的第一步——下料切割，目前市場上常規(guī)的板材切割工藝大體分為火焰切割、等離子切割和激光切割。而對于中厚板材下料切割的主要方法在五、六十年代用氧乙炔火焰切割，但七十年代以后，為了改善和提高火焰切割的切口質(zhì)量，又推廣了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。各種切割下料方法都各具其優(yōu)缺點，在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。例如：火焰切割是鋼板粗加工的一種常用方式，設(shè)備成本低，是切割厚金屬板唯一經(jīng)濟有效的手段，但與等離子比較起來，火焰切割的熱影響區(qū)要大許多，熱變形也比較大，無法對銅、鋁等有色金屬及不銹鋼進行切割，且環(huán)境污染也較為嚴重。等離子切割，切割領(lǐng)域?qū)?，可切割所有金屬板材，切割速度快，效率高，且精度高于火焰切割，但在切割厚板時錐度較大，割縫較寬，批量加工的情況下會造成大量的材料浪費，并且會產(chǎn)生有害氣體及大量煙塵，造成污染。而與傳統(tǒng)的氧乙炔、等離子等切割工藝相比，激光切割具備速度快、切縫窄、熱影響區(qū)小、切縫邊緣垂直度好、切邊光滑，同時可切割材料種類多的特點。激光切割技術(shù)的出現(xiàn)，開辟了激光技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用的新領(lǐng)域。

中厚板目前常用的切割方式為等離子切割與激光切割，等離子切割的弊端如下：(1)精度差，需要留有余量，后期二次加工。(2)切割縫隙較大，造成原料浪費，并且加工量越大，損失越大。(3)空氣切割25mm以上厚度的碳鋼，熱變形較大。(4)切割斷面錐度相比激光大30%～50%。(5)最小開孔直徑較大，無法切割小孔。(6)配件損耗貴（進口品牌300元/天左右、國產(chǎn)品牌80元/天左右）。我們以切割厚度10mm鋼板的每米消耗費用作出對比，如表1、表2所示。

表2 國內(nèi)某激光切割設(shè)備使用消耗估算

通過以上理論計算可知，等離子設(shè)備的費用組成為電費、消耗品費用以及相關(guān)的氣體費用，切割1m鋼板總費用約0.59元；而激光切割設(shè)備的費用組成為切割氣體費用、易耗品費用和電費，切割1m鋼板總費用約0.344元。由此可知，激光切割在切割成本上明顯優(yōu)于等離子切割。

而在切割質(zhì)量方面，激光切割的工件無毛刺和掛渣，表面光滑無塌邊，切割精度基本可控制在0.1mm以內(nèi)，且工件變形小，可以替代或省掉機加工工序，通過實際證明，激光切割的零件不進行機加工也可滿足基本裝配質(zhì)量甚至于精密裝配的質(zhì)量要求。

另外，隨著金屬加工行業(yè)的環(huán)保要求日益嚴格，全封閉式的激光切割設(shè)備也成為加工市場的主流。同時，在中厚板加工領(lǐng)域，激光切割隨著激光器功率的突破，正成功解決以往厚板加工的痛點，如本司計劃今年9月份首發(fā)推出的40000W超高功率激光切割機，最大加工板厚提升50%，可至200mm（圖3）；中厚板最大切割速度提升100%，空氣切割厚度可提升至30mm，最大速度提升一倍。

而且超高功率激光設(shè)備給用戶帶來的不僅僅是切割厚度的不斷突破，超高功率的激光切割可以在切割中、薄板時用壓縮空氣代替氧氣及氮氣，在大幅節(jié)約使用成本的同時，切割速度與氧氣切割相比可提高一倍以上，進一步達到降本提效的目的。

結(jié)束語

由此我們可以大膽推斷，未來超高功率的發(fā)展一定會顛覆行業(yè)的認知，從本質(zhì)需求出發(fā)，獲得高速的普及和發(fā)展。與此同時，激光切割機制造商將進一步完善相關(guān)裝備、技術(shù)，使之適合超高功率發(fā)展的需要，譬如高速高精的運動控制裝置與技術(shù)、高功率激光光學(xué)控制技術(shù)和機械防燒損技術(shù)等等，而隨著我國超高功率激光器的研發(fā)成功以及激光切割設(shè)備的完美匹配，這將徹底打破激光行業(yè)進口品牌的壟斷，也將顛覆整個金屬加工行業(yè)的競爭格局。

中國歷史十大傲骨詩詞人

1

屈原

（戰(zhàn)國時期）

傲骨指數(shù)：★★★★★

傲骨精髓：舉世皆濁我獨清,眾人皆醉我獨醒

史海遺珠：粽子、龍舟、楚辭

上榜理由：自他起中國有了詩人，并樹立起詩人浪漫傲驕的高大上形象