高功率激光切割技术

　　随着激光加工技术的不断发展.激光切割在越来越多的领域中发挥起重要作用。

　　激光加工技术是融合了光、机、电、材料加工及检测等学科的复合型先进制造技术。它与现代数控技术相结合构成的高效自动化加工设备，可以突破许多传统制造方法无法实现的技术瓶颈，在能源、交通运输、钢铁冶金、船舶与汽车制造、电子电气工业、航空航天等国民经济支柱产业发挥了不可替代的作用。

　　目前，汽车、船舶、航空、航天、钢铁、能源设备等行业急需激光切割设备，特别是高端设备，所以提高我国激光切割设备制造水平十分重要。它既可以满足国内市场需求，打破国外在该领域的技术垄断，又可以促进我国激光切割技术的进步。实现更高速度、高精度、智能化激光切割将是数控激光切割技术发展的目标。

　　发展数控激光切割机产业的重要意义及其市场分析

　　2.1发展数控激光切割机产业的重要意义

　　在高功率数控激光切割成套设备开发及制造方面，经过十几年的发展，我国激光切割技术及装备从无到有，已逐步形成一定产业规模。2007年国内大型激光切割设备的销售额达到15亿元，在中低端产品方面基本占领国内市场，并有部分产品出口。但与美国、欧盟、日本等发达国家相比，我国的激光切割设备仍然停留在低端产品阶段，而且高功率激光器、激光专用控制系统、激光光束传输控制、激光切割专有技术等绝大部分核心技术还依赖进口。目前，国际上德国通快 TRUMPF公司、瑞士百超BYSTRONIC和意大利PRIMA等国际知名公司已经开发出大功率、大幅面、高速、飞行光路、多维立体、数控自动的激光切割机。在高端激光切割系统领域，我国与国际先进水平存在较大差距，产品基本依赖进口，每年不得不花费数十亿元从国外引进相关技术与设备。如船舶制造业中厚钢板的激光切割设备、三维立体激光切割设备、有色金属激光切割设备等，引进价格昂贵、订货周期长、售后服务无法及时保证，严重制约了我围困民经济的发展。并且由于国外在该领域出口对我国有明确的限制，采用许可证制度，严格规定该项技术不能用于军工、航空航天等领域，因此我国急需突破该项技术。

　　随着我国船舶、汽车、航空航天、钢铁、发电设备等行业的快速发展，全球制造业的中心向我国转移，我国数控激光切割成套设备市场需求年增长速度达到50% 以上，数控激光切割技术更以其柔韧性和灵活性在薄板加工领域逐步取代了传统加工手段。针对汽车、船舶、航空、航天、钢铁、能源设备等行业急需的激光切割设备，攻克大幅面高精度数控激光切割的床身机械设计、基于高速切割的直线电机驱动及相关运动系统、基于5轴联动三维激光切割技术、高功率光束传输技术、数控切割软件、厚板激光切割技术等技术难题，解决高功率激光器、激光传输控制、精密机床、数控系统等核心技术，开发高速高精度激光切割机、大幅面厚板激光切割机、三维立体数控激光切割机、航天航空用有色金属激光器切割机等高性能激光切割系统，对打破国外厂家在该领域的垄断，实现进口替代，节约外汇储备，满足国内市场的需求，积极带动我国关键行业装备制造业的快速健康发展具有重要意义。另外，还可带动相关产业链的延伸与发展，大力推动大功率激光器、光学零部件、导光系统、数控系统、电气控制系统、精密机械加工、精密仪器仪表、电子元器件、计算机软件等上游产业链的技术进步和产业升级。

　　2.2数控激光切割机的市场应用现状和前景分析

　　高功率数控激光切割成套设备全球累计拥有量已达35000台(套)左右，而我国目前高功率数控激光切割成套设备的拥有量为1500台左右。随着装备制造业的快速发展，我国数控激光切割成套设备已进入快速增长期，年增长率达50%以上。应用行业包括：汽车、船舶、航空、核工业、机械制造、钢铁、纺织、石油、激光加工中心等。

　　在2006年全国激光加工学术年会上，专家们认为：到“十一五”末期，我国每年至少需要1500多台套高功率数控激光切割机，到“十二五”末期，我国高功率数控激光切割机市场需求量将达到10000台套，其中除了通用激光切割机之外，对高速高精度激光切割机、大幅面厚板激光切割机、三维立体数控激光切割机、航天航空用有色金属激光器切割机等高性能激光切割系统的需求也与日俱增。

　　国外汽车生产过程中，普遍采用三维激光切割机对覆盖件、门板等进行精确切边。再采用激光焊接机械手进行高质量自动焊接，不仅确保产品质量，而且生产效率极高。在样车开发和小批量生产中，高度柔性的激光三维切割取代大量的冲孔和修边模具，不仅节省大量模具，同时使新车型的开发周期大为缩短。在欧洲，几乎所有汽车制造厂在汽车研制开发和生产中均的采用激光加工。激光制造技术在汽车制造中应用的广度和深度已经成为汽车工业先进性的重要标志。国内已有汽车生产企业引进激光切割和激光焊接生产线，其他企业在未来的发展规划中也都有引进计划。三维激光切割机对提高新车型开发速度具有重要的促进作用。

　　开发高精度三维激光切割机，对提高我国航天航空技术装备水平具有重要的战略意义。国防军事装备对高性能激光切割机的需求更为迫切，如三维立体激光切割机在直升飞机螺旋桨曲面加工中的应用，可以大大缩短产品试制时间，提高部件性能。

　　在世界市场上，激光切割机正在向高功率、大幅面、厚板材方向发展。切割焊接是造船行业最基础的加工工艺，目前我国船用钢板切割一般采用火焰切割、等离子切割，由于精度有限，特别是对特殊材料的甲板和船体材料，许多国外大型造船厂普遍采用大幅面厚板材激光切割机，国内造船企业已经开始进行设备选购，特别是特种用途的船艇，采用激光切割已经成为一种必须的加工手段。预计在未来5-10年，这一应用行业的生产需求极大。随着“精密造船”时代的来临，高功率 CO2激光切割技术及装备在先进国家造船业得到了越来越广泛的普及应用。

　　大幅面厚板材激光切割机在其他重要行业也有迫切的需求，如航空航天发动机转子毂的切割、钢铁冶金行业热轧钢坯的激光切割、坦克、装甲车厚装甲精密切割、发电设备中发电机组转子的精密切割等。

　　随着我国铁路建设、公路建设、水利建设、水电建设、能源、矿山建设、建筑业等重大工程的推进，到2015年，我国工程机械市场需求量将达到2000亿元以上，大幅面厚钢板激光切割机将在我国工程机械行业得到普遍应用。2007年，国内某著名重工机械企业对27台3m×30m大幅面20mm厚钢板激光切割机进行招标，由于国内激光企业无厂家符合技术要求，所有订单都被国外厂家获得。另一重工企业需求6台3m×30m大幅面20mm厚钢板激光切割机。也全部由国外厂家中标，仅此两家合同金额就高达2亿元。

　　全球激光制造技术发展飞速，我国与国际激光技术水平的差距有所增大，高端的激光加工成套装备几乎全部依赖进口，致使国外激光制造装备在我国市场的占有率高达70%。预计未来10年内，我国对这些高性能激光切割系统的市场需求量将达到 100亿元。如此迫切和巨大的市场需求反应出激光加工的手段已经覆盖到国民经济各个重要领域，同时也影响着国防、航空航天等关键技术的突破，我们不仅仅是解决目前国内该产品的空白，同时也旨在解决激光加工领域多层面技术核心问题，如激光数控、激光机床新型结构、高质量激光加工的技术瓶颈等。

　　技术现状、发展趋势以及需突破的共性关键技术

　　3.1国外数控激光切割技术现状与发展趋势

　　目前，国际上有代表性的激光切割设备制造商有：德国通快TRUMPF公司，瑞士百超BYSTRONIC，意大利PRIMA，美国WHITNEY公司和日本TANAKA公司等，他们的代表性技术如下表。这些国际知名公司已陆续开发出了大功率、大幅面、高速、飞行光路，三维立体、数控自动的激光切割机，并且每年都在推出新的机型。如百超2002年推出加速度2g，2007年推出3g的高速机床，技术发展之迅速可见一斑。

　　随着激光切割的逐步普及，市场要求进一步提高切割效率(高速切割)、降低待机时间(自动上下料系统)、扩大应用面(向三维立体切割、厚板、高反射材料发展)、降低运行成本(降低电耗)等。国外激光切割技术发展趋势有：

　　3.1.1高速度

　　在设备的运行速度上，目前多家企业竞相开发高速高精度切割机，用以取代机械冲床，例如瑞士百超激光有限公司推出的BYSPEED机型，切割速度可达 40m/min，加速度为3g，可切割20mm的不锈钢，12mm的铝合金和6mm的紫铜等，其电耗仅60kW，机器有效利用率可达95%，在薄板加工效率上与冲床相当。

　　3.1.2多自由度

　　激光切割机广泛地应用到复杂曲面，工件的加工，如激光切割机器人、专门用于管材切割的2.5D激光切割机、3D光纤传输激光切割机等。

　　以前的三维激光切割机只能进行汽车内饰件的切割，无法加工金属冲压件。普瑞玛工业公司创造性地将电容式传感器集成到三维激光切割设备中，使机床可以自动适应冲压件弹性变形造成的误差，从而使三维激光切割技术真正成为汽车车身加工的一种精密、灵活的加工手段，广泛应用于汽车、航天航空工业、工程机械、模具、健身器材、钣金加工等制造领域。

　　3.1.3大幅面大厚板

　　目前，国际上出现了“精密造船”的概念，美国、欧盟、日本、韩国等围家和地区的船舶制造普遍采用高功率激光切割技术。目前国外主流大幅面激光切割机一般采取机载激光器结构，加工幅面为3m×25m，切割板厚可达到40mm，在船舶、舰艇等行业得到越来越多的应用。

　　3.1.4智能化

　　进一步把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的T件定位相结合，将自动排料、切割工艺数据库、远程诊断、远程控制集成一体，把激光切割的功能部件与其他加工方法组合，制成如激光冲床等多功能加工机，更符合工厂复杂加工高效的需要，它兼有激光切割的多功能性和其他加工形式的高速高效的特点，可同时完成切割、打孔、打标、划线、成形等。

　　3.2国内数控激光切割技术发展方向

　　近几年来，我国在数控激光切割技术装备领域发展迅速，二氧化碳激光器功率达到4kW，加工幅面从3015到6030都能实现，各种光路设计都已成熟应用，在驱动方面普遍采用直线电机伺服系统，国产数控激光切割设备已经具备较强的市场竞争能力。

　　随着激光切割技术应用的迅速普及，市场空间不断拓宽。我国数控激光切割技术装备的发展重点应关注以下领域：

　　3.2.1开发高速高精数控激光切割设备

　　掌握3g以上加速度运动系统的设计与制造技术和高精高速下机床运动系统的设计与制造技术。定位速度120～180m/min，切割速度50～80m /min，切割表面粗糙度小于6.3μm，切割头定位精度±0.02mm/m，重复定位精度0.01mm/m，用于激光高速切孔时，切割速度达到1000 孔/min。

　　3.2.2开发高精度三维激光切割设备

　　掌握三维立体激光切割机机床的设计与制造、立体激光切割头的设计与制造技术、三维立体激光切割工艺，开发配套三维CAD/CAM软件系统，实现复杂曲面的激光切割。定位精度≤±0.05mm，重复精度≤±0.015mm。快进速度≥25m/min;A/B轴转角范围3600/±135°，转角精度≤0.015°，重复精度≤0.005°。

　　3.2.3开发大幅面厚板激光切割设备

　　掌握远光程激光传输技术、厚板切割T艺、高功率激光光路设计与制造技术，实现大幅面厚板材的激光切割。激光切割机床X/Y/Z行程>130000mm /6000mm/150mm，定位精度≤±0.05mm.重复精度≤±0.015mm，快进速度≥25m/min，切割板厚40mm。

　　3.2.4开发特种行业专用激光切割设备

　　掌握特种材料特种加工需求下对激光切割机的设计与制造技术，完成铝合金、钛合金、镁合金、铜合金1-10mm的切割工艺。

　　3.3数控激光切割需突破的关键共性技术

　　3.3.1激光切割机机械结构设计与驱动技术

　　激光切割机的横梁，有单悬臂式、龙门式、龙门倒挂式等，机床结构要求具有高刚性和高稳定性。横梁设计时必须轻巧灵活，符合高速度激光切割时的运动平稳性与横梁运动的高精度。这些是实现激光精密切割的基础。

　　3.3.2激光切割机数控技术

　　结合激光切割的专有特点，采用稳定可靠的通用数控系统作基础，经过二次开发，开发出具有自主版权的激光切割控制系统。具备激光专有控制功能，如激光功率坡调、Z浮功能控制、自动调焦功能;在高速运行下良好的机床运动控制性能;具备远程诊断与控制功能，机床控制一体化(激光器控制、气路控制、光路控制)，符合大幅面激光切割的运算判断等，人机界面友好、语音提示、方便操作和维护。

　　3.3.3高功率激光光束传输聚焦技术

　　光束质量是激光切割质量的关键，关键技术包括：专有光束质量控制、光束半径调整、束腰补偿、视频光束校准系统等。专有光束质量调整系统包括自适应光学系统，以优化光束形状。光束半径调整要实现自适应光学系统可以自动维持程序里的光束聚焦点。如在切割低碳钢时，自动输出非常细的光束聚焦点，切割不锈钢时，自动输出宽一些的聚焦点。激光光束不是平行的，当切割头在切割范同移动时，光斑直径改变。要维持好的切割质量，就需利用腰束补偿维持光斑直径不变，控制系统通过自动调整束腰的位置来保持激光束在焦点处最优的光斑。视频光路校准系统是利用视频技术和微调装置，使操作者可以在不用打开任何盖子的情况下检查光路，保证所有的光学镜片位置准确。该功能主要优势，一是安全：不需要打开光路，避免了在光路检查过程中接触激光的危险;二是可靠：检查的过程迅速可靠，让光路系统保持最优的切割状态;三是维修简单：可以实时察看目标位置，省去了很多操作，可以更快地维修和调整。

　　3.3.4激光切割专有技术

　　激光切割专有技术有：边缘监测、电容高度跟踪、切割监测、穿透检测等。边缘监测技术可以使切割头定位在板材合适的边缘位置，自动监测其位置和方向。穿透检测技术是指使用相同的传感器来确定光束是否已经穿透了板材，这样可以得到最高质量的穿透效果，同时又节省时间。切割监测技术是指机器在无人看管的情况下也可以正常进行切割加工，若因故使切割不能正常运行，切割监测系统可以识别，系统软件会确定其原因并做出反应，包括停止、折回及简单调整功率，以获得更好的效果。电容高度跟踪技术是通过电容系统来完成，高频率通过喷嘴处金属部件的电容系统传送到切割头上，当切割工件与切割头金属部件的距离改变时，频率也会按比例发生改变，CNC控制器通过这一信息来调整Z浮到其最合适的位置。

　　3.3.5激光切割专用CAD/CAM软件系统

　　为配合激光切割的图形转换，需要开发设计专门的CAD/CAM软件系统，该软件系统能将从CAD系统获得的几何信息转换成NC代码，通过USB口或通信系统将NC代码传入CNC系统，供设备正常切割使用。CAD/CAM软件系统所产生的NC代码具有激光切割的全部特有功能，使编写复杂零件程序的工作变得简单流畅，编辑和修改也非常方便。

　　3.3.6厚板高功率激光切割头设计制造

　　研制开发长焦深高功率激光多维立体切割头时，切割头应该配备双聚焦镜组件、带灵敏可靠的Z浮部件、良好的水冷装置和空气冷却装置，能承受约2533kPa的辅助气体压力，达到切割厚度30～40mm的需要。

　　3.3.7激光切割工艺研究　

　　通过进行大量的切割工艺试验，形成材料、环境、工艺参数如激光器功率、辅气气压大小以及种类、切割速度、焦点位置以及切割的起始位置等切割工艺数据库，尤其是针对曲面切割、钛合金切割、厚板材切割等工艺，操作者只需在对话框中按照提示输入基本参数和信息，系统就会自动调用数据库资料，完成切割参数设置。

　　4.结束语

　　数控激光切割是理想的切割加工手段，代表现代金属加工技术的发展方向。数控激光切割设备在国内外市场有着极其广泛的市场需求。我国在数控激光切割技术和装备方面与国外有一定差距，但近几年来发展迅速。今后发展方向应该立足高起点，在高速高精激光切割、大幅面激光切割、三维激光切割、特种材料激光切割等领域进行关键共性技术研究开发，形成产业化，从而满足日益增长的市场需求。

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