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大功率金属光纤激光切割机的前景分析

作者:光纤切割机 日期:2020-08-04 09:53:45 点击数:

随着重工业的不断发展,激光切割技术从薄板切割向厚板大尺寸切割方向发展,激光切割逐渐进入大功率时代。新时代工业制造对金属板材切割精度、速度、厚度提出了新的要求,激光切割机可实现的功率越来越高。从工业的发展来看,大功率激光切割机是一定阶段的必然产物,也是行业发展的大势所趋。

在金属板材加工领域中,激光切割机的优势非常凸显,因精度高、速度快、质量好等优点,已逐渐取代传统的加工工艺,成为金属板料切割的核心设备[1]。从激光切割机兴起,到光纤激光切割机取代YAG、CO2等机器,再到大功率激光切割机的不断推出,对于切割厚板和切割效率来说,大功率的设备已经是大势所趋。

近年来,大功率激光切割机成了激光切割领域的热门话题,众多企业不断推出万瓦级以上的光纤激光切割设备。对于钣金加工行业来说,大功率切割设备的诞生,大大提升了钣金切割的厚度和效率。这种大功率切割机的出现,不断打破材料切割厚度的极限。由此带来的加工厚板价格降低,形成一个良好的循环,促进激光切割应用领域的进一步扩大。

大功率激光切割机的简介




(1)大功率切割机介绍

激光切割机可根据功率分为小功率、中功率和大功率。对于厚度一般的不锈钢和碳素钢,小功率激光切割机就可以进行良好的切割。而对于切割厚板和切割效率来说,大功率的激光切割机可以很好的实现。因此,激光器功率在万瓦级以上的激光切割机统称为大功率激光切割机(见图1)。

大功率金属光纤激光切割机的前景分析(图1)


(2)光纤激光器功率的规格

针对激光切割金属板材厚度的不同,大功率切割机上所选的光纤激

光器的功率规格也不同,从目前发展趋势上来看,在金属加工市场中,各大中小型企业逐渐升级到多种规格,见表1。

大功率金属光纤激光切割机的前景分析(图2)


(3)使用气体的规格

在大功率激光切割机工作时,为保证切割的精度、切割的速度、切割断面的效果等诸多优势,对所使用的氧气纯度要求较高,一般要求纯度为99.99%。




03
大功率激光切割机的特点




3.1 技术突破


(1)高动态性能的高速切割机床

搭载万瓦级光纤激光器的机床,采用新款的三角形结构横梁,其特点:①重量减轻30%,动态性能明显提升。②最大移动速度可达到200m/min,加速度为4g的动态响应特性。③底座增加了重量,约为20%,改变机床固定方式,消除高加速度运动对机床冲击力的影响。


(2)全新的软件系统

软件及控制系统就像机床的大脑及指挥中心,机床运行的精度、效率除了硬件升级带来的红利之外,整机性能的差异主要来自于软件及控制系统的不同,且往往差异很大。


(3)可实现速度达100m/min的稳定切割

①电容式传感器的响应速度比传统的切割头提高了3倍。②Z轴速度提升,运行无停顿,且更为流畅,薄板切割效率提升30%以上,提升蛙跳功能的效能,改进了加速度适应功能。③完善快速穿孔与精密穿孔功能以及远程诊断功能,为实现“工业4.0”的功能预留了智能接口[2]


3.2 切割头特点


大功率切割头在高功率连续作业的情况下是保证切割稳定的核心部件,具有以下特点:①大功率切割头有着密封性更好和冷却更充分的冷却系统、应用范围更加广泛的焦点和耐高温的镜片。②大功率热透镜效应的影响,切割头在长时间的工作下,光束会有焦点漂移的现象发生,为了克服焦点漂移的问题,大功率切割头采用了新的气路设计结构及更换了新结构的喷嘴,从而来提高切割的速度及切割的稳定性。


3.3 大功率激光切割能力


(1)切割厚板的厚度不断提升

目前大功率激光切割机切割铝合金板材厚度可达40mm,不锈钢板材厚度可达130mm,随着大功率激光切割机技术的不断升级,切割材料的厚度还会不断增加,加工厚板的价格会逐渐降低,并加快促进大功率激光切割机在厚板领域中的应用[3]


大功率金属光纤激光切割机的前景分析(图3)


(2)切割中薄板的效率倍增

①切割厚度为3~10mm的不锈钢板材时,10 000W激光切割机的切割速度是6000W的两倍以上。②10 000W激光切割机在碳素钢的切割应用中,可以达到18~20mm/s的快速亮面切割,是普通标准切割速度的两倍。③可以用压缩空气或氮气切割12mm以内的碳素钢板,切割效率是氧气切割碳素钢速度的6~7倍。


3.4 床身特点


(1)设备配备了超强承重的机械结构

大功率切割机都配备了铸铁床身,采用最低抗拉强度200MPa的片状石墨铸铁一体浇铸成形,含碳量、抗压强度、减振性以及耐磨性等都有大幅度的提高(见图3)。


大功率金属光纤激光切割机的前景分析(图4)

(2)铸铁床身的特性

①床身具备良好的润滑性能、耐腐蚀性和尺寸稳定性,减少因床身振动带来的加工误差。②降低设备在使用时的损耗,提高稳定性系数30%以上,提高质量精度30%以上,提高床身寿命达70年以上。


3.5 自动更换喷嘴


(1)手动更换喷嘴模式

切割中根据切割材料的厚度及材质需要更换喷嘴,多年来一直采用人工手动更换喷嘴的形式,这样不仅效率低下,需要技术人员重复劳动,而且难以保证更换后的精度和稳定性。如何高效、快速地更换喷嘴,并保证每次更换都万无一失并保持精度,是激光切割领域的一个技术难题。


(2)自动更换喷嘴技术

大功率激光切割机应用了喷嘴自动更换的功能。可实现喷嘴的自动更换、激光头的标定、喷嘴全自动清洗等功能,降低了人工重复劳动量。喷嘴自动更换时在触摸屏上操作相应的命令即可实现。自动更换喷嘴技术具有以下优势:

1)降低劳动强度,保证了更换喷嘴时的定位精度和工作稳定性。

2)配套了完善的控制系统,能实现根据不同的材质和不同的板厚自动更换喷嘴的型号和规格,减少了由人工来更换的时间,从而提高了生产效率。

3)自动更换喷嘴为全封闭式的防护装置,为喷嘴设备和人身安全提供了很好的保障。


3.6 闪电穿孔及极限小孔成形


(1)闪电穿孔

穿孔时间短,热聚焦能量小,起刀点稳定,保持随动系统的稳定性,可以保证达到最佳的切割效果。闪电穿孔优点见表2。


(2)极限小孔

激光切割行业,一直认为板材的厚度即为切割小孔的最小直径,大功率激光切割机可以实现最小孔的直径为板厚的0.15倍,甚至更小,如图4所示。


大功率金属光纤激光切割机的前景分析(图5)




04
大功率激光切割机的优势




(1)高速度

激光切割速度已超过20m/min,加工切割机的两轴移动速度可以达到250m/min,加速度在运行过程中已经达到10g左右。


(2)高精度

1mm厚的板材中ϕ10mm左右的小孔,每分钟可以切割500个左右。在切割过程中这些小孔之间的误差非常小。


(3)向厚板方向发展

大功率激光切割机的功率逐步加大,相应切割的厚板尺寸也不断增加。


(4)向大尺寸方向发展

激光切割技术的加工尺寸范围也在不断加大,激光切割技术已经开始朝着大尺寸的方向发展。


(5)自动无人化

激光切割技术的自动无人化具有发展的必要性和紧迫性。①计算机网络技术的应用促使激光切割技术实现了自动无人化。②市场对这种技术的应用需求也不断增大,促使激光切割技术要实现全自动无人化。


(6)智能化

按照工业4.0的技术要求,紧跟智能制造的步伐。采用准确的图形识别技术,简单的操作工序,便捷的人机智能交互,实现了激光器与计算机控制、数控技术、光学系统、高精度和自动化定位装置等结合起来,将自动排料、切割工艺数据库、远程故障诊断、远程控制等集成为一体,满足大批量及复杂零件加工的需要[3-4]




05
结束语




(1)大功率设备发展

激光切割作为切割加工中非常理想的加工手段,代表着现代金属加工技术的发展方向。大功率激光切割机目前也正在向着高速度、高精度、大幅面、三维切割及特种材料切割等领域进行关键性技术研究和发展,从而促进大功率激光切割的技术发展来满足日益增长的市场需

求。


(2)大功率设备选择

一些企业在选择大功率激光切割设备时,需要慎重考虑:除了切割速度和精度外,特别要检验满功率连续切割时的稳定性和一致性,机床的速度匹配能力,机床控制的先进性及精度寿命等。不能像购买小功率激光切割设备那样,简单比较价格因素。大功率意味着高投入,高投入蕴含着高风险。企业在进入这个高回报市场时,一定要认识到其风险性。


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