一、激光切割技術(shù)發(fā)展歷程

激光技術(shù)是近幾年發(fā)展迅猛的一門(mén)高科技技術(shù),其中的激光切割技術(shù)更是被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),可以切割金屬、非金屬、塑料、木材、玻璃等材料,其加工領(lǐng)域廣泛,并且切割成本低、效率高、加工工件質(zhì)量好。

我國(guó)激光切割發(fā)展大致經(jīng)歷以下幾個(gè)階段:

圖表 1:中國(guó)激光切割技術(shù)發(fā)展歷程

行業(yè)探索期(1957-1961年):在愛(ài)因斯坦提出激光理論的40年后,1957年我國(guó)科學(xué)家在長(zhǎng)春建立了所光學(xué)專業(yè)研究所——(長(zhǎng)春)光學(xué)精密儀器機(jī)械研究所(簡(jiǎn)稱“光機(jī)所”),在老一輩專家?guī)ьI(lǐng)下,一批青年科技工作者迅速成長(zhǎng),短時(shí)間內(nèi)凝聚了富有創(chuàng)新精神的中青年研究隊(duì)伍,提出了大量提高光源亮度、單位色性、相干性的設(shè)想和實(shí)驗(yàn)方案。隨著1960年一臺(tái)激光器的問(wèn)世,我國(guó)激光器的研發(fā)也開(kāi)始提速,并于1961年成功研制我國(guó)臺(tái)紅寶石激光器,1965年研制成臺(tái)二氧化碳激光器。

行業(yè)起步期(1965-1978年):在我國(guó)研制出臺(tái)二氧化碳激光器后的短短幾年內(nèi),國(guó)內(nèi)激光技術(shù)迅速發(fā)展,在基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)方面、一系列新概念、新方法和新技術(shù)(如腔的Q突變及轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、行波放大、錸系離子的利用、自由電子振蕩輻射等)紛紛提出并獲得實(shí)施,其中不少具有性,并開(kāi)始逐步將激光用于材料切割領(lǐng)域。

高速發(fā)展期(1978-現(xiàn)在):改革開(kāi)放以來(lái),激光切割技術(shù)獲得了發(fā)展的機(jī)遇,激光科技事業(yè)取得了的進(jìn)步,涌現(xiàn)出一批水平的成果,激光切割技術(shù)基本做到了在我國(guó)材料加工領(lǐng)域全覆蓋。

二、激光切割原理及切割頭

激光切割是將激光器發(fā)射的高強(qiáng)度的激光集中在一起,然后照射在加工材料(工件)表面,在照射的過(guò)程中,激光的光能迅速轉(zhuǎn)化成熱能,使得材料照射區(qū)里的溫度迅速達(dá)到材料(工件)的熔點(diǎn)乃至沸點(diǎn),材料(工件)在高溫作用下被融化乃至氣化,這時(shí)再利用輔助氣體將融化的殘?jiān)甸_(kāi),冷卻形成小洞;在數(shù)控系統(tǒng)的引導(dǎo)下,隨著工件與激光的不斷相對(duì)運(yùn)動(dòng),兩者之間不斷作用,不斷吹除融化殘?jiān)?使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫,從而達(dá)到切割材料的目的。

圖表 2:激光切割工作原理

與傳統(tǒng)的切割方式相比,激光切割具有精度良率高,速度快,操作簡(jiǎn)單,生產(chǎn)成本低等明顯優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)機(jī)械切割主要包括線切割、氧氣乙炔割炬切割和等離子切割等特種加工方法,但這些方法均適用范圍有限,例如線切割利用電火花穿孔進(jìn)行加工,僅可加工導(dǎo)電與半導(dǎo)電材料,而激光切割可加工任何金屬與非金屬材料,伴隨著激光技術(shù)發(fā)展,更小的激光光束斑點(diǎn)直徑能帶來(lái)更好的切后表面粗糙度,同時(shí)加工過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱影響和材料變形效果,無(wú)需進(jìn)行二次加工。

在激光切割過(guò)程中,激光切割頭將激光器生成的發(fā)散光聚焦到材料表面,材料吸收激光能量熔融后,切割輔助氣體把熔融金屬排出,實(shí)現(xiàn)加工材料的切割分離,是激光切割設(shè)備的重要組成部分。激光切割頭的組成部分主要包括光纖連接塊、準(zhǔn)直組件、聚焦組件、保護(hù)鏡盒、傳感器及控制盒、割嘴等。

圖表 3:激光切割頭結(jié)構(gòu)

光纖連接塊是光纖導(dǎo)入切割頭的接口部分,常見(jiàn)的接口有QBII接口、QD接口等;準(zhǔn)直組件主要承擔(dān)將出自光纖的發(fā)散光收斂起來(lái),將其拉直或準(zhǔn)直的作用;聚焦組件將激光束聚集成高密度的光斑或光速,光斑越小密度越高,在工件表面形成的切割縫隙也越小,從而達(dá)到高精度高速度的切割效果;保護(hù)鏡盒用于將外界與切割頭內(nèi)部光路隔絕,保證光路密封,防止灰塵和雜質(zhì)進(jìn)入光路,延長(zhǎng)激光切割頭的使用壽命;傳感器及控制盒傳感器相當(dāng)于人體的大腦,它能感應(yīng)、控制設(shè)備的切割動(dòng)作,感覺(jué)切割頭與工件表面的距離,感應(yīng)切割頭與工件邊緣的距離等等;割嘴是距離被切割工件最近的零部件,在切割過(guò)程中,噴嘴會(huì)在切割面形成氣場(chǎng),將切割過(guò)程中產(chǎn)生的熔渣吹走,防止激光頭被異物污染。

三、激光切割頭行業(yè)概述

與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家激光切割技術(shù)相比,我國(guó)的激光切割技術(shù)仍存在差距。在產(chǎn)業(yè)方面,一些中、高檔激光產(chǎn)品及其材料、元器件仍然停留在開(kāi)發(fā)階段,或尚未形成規(guī)模,高檔、高智能、高自動(dòng)化的激光產(chǎn)品比較缺乏。

目前激光切割頭市場(chǎng)主要由德國(guó)普雷茨特、美國(guó)貳陸集團(tuán)、恩耐等國(guó)外企業(yè)掌控,國(guó)內(nèi)激光切割設(shè)備雖然具自主研發(fā)及生產(chǎn)切割頭等核心部件的能力,但在銷售產(chǎn)品中應(yīng)用比例相對(duì)較低。

圖表 4:激光切割頭市場(chǎng)主要競(jìng)爭(zhēng)者

以國(guó)內(nèi)激光切割設(shè)備宏石激光為例,公司雖然生產(chǎn)激光切割頭產(chǎn)品,但公司仍需向國(guó)外廠家采購(gòu)激光切割頭產(chǎn)品。2020年,宏石激光對(duì)普雷茨特精密技術(shù)(上海)有限公司的采購(gòu)金額高達(dá)2,783．75萬(wàn)元,位列2020年度公司供應(yīng)商第五位。

圖表 5:2020年度宏石激光前五供應(yīng)商情況

四、激光切割頭行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

隨著激光切割機(jī)的日益發(fā)展,切割頭的重要性越來(lái)越凸顯。近年來(lái)自動(dòng)調(diào)焦切割頭的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,切割頭紛紛推出調(diào)焦與變焦相結(jié)合的切割頭。其中德國(guó)Precitec的Procutter系列產(chǎn)品采用準(zhǔn)直鏡調(diào)焦,該系列的自動(dòng)調(diào)焦切割頭頗受激光切割機(jī)制造商和客戶青睞;其中貳陸集團(tuán)推出的BIMOFSC-MZ系列可獨(dú)立設(shè)置焦點(diǎn)位置和焦點(diǎn)直徑,其焦點(diǎn)位置可在+10～-30mm調(diào)節(jié),放大倍數(shù)在1．2～3．2之間,在厚板切割中發(fā)揮重要作用,尤其是切割厚鋁板或不銹鋼厚板,切割斷面得到保證。