利剑出鞘！超高功率激光切割成套装备展现多重优势

钣金加工与焊接喷涂 2022-07-21 16:00 发表于江苏

以下文章来源于激光界订阅 ，作者吴让大等

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近年来，奔腾激光不断进行激光切割设备性能革命、功率革命、速度革命、质量革命，始终不曾停歇勇攀新峰的步伐，取得了许多新的技术和应用突破。

本文介绍了奔腾激光获得国际首台套称号产品——30kW高速高精超厚板智能激光切割成套装备的四大关键技术突破、切割工艺创新和工业应用优势，展示了30kW激光切割不同金属材料的速度与极限切割厚度等主要应用指标，以及如何通过超高功率激光工艺创新来提升机床切割质量与效率，开拓工业应用领域广阔的市场前景。

30kW激光切割成套装备：四大关键技术突破

2022年1月，奔腾激光“30kW高速高精超厚板智能激光切割成套装备”获得了浙江省经信厅批准的国际首台套产品称号。

再次彰显奔腾激光在高功率激光切割装备领域已处于世界领先地位。

2021 年投放市场后受到客户普遍好评，2021年销售额达到一亿元以上，并实现小批量出口，国内市场占有率遥遥领先。

目前，这款30kW高速高精超厚板智能激光切割成套装备已实现23项专利成果，其中11项发明专利，11项实用新型专利，1项外观专利。如今，40kW的BOLT8“磁悬浮”系列超高功率激光切割机已经完成测试，并投入使用。

图1. 斩获国际首台（套）称号的奔腾激光30kW高速高精超厚板智能激光切割成套装备

支持超厚整板切割的高动态响应重载独立式床身机械结构设计

这款30kW激光切割装备采用大型重载数控机床多模态组合设计原理和数字化分析方法，使得机床底座拥有优良的动态特性、静态特性、热特性和稳定性。

超高功率的激光光源对于机床设计提出更高、更新的要求。首先是机床热管理问题。超高功率激光切割材料时，机床床身和工件材料都会产生明显的热胀效应，从而影响机床精度稳定性；其次是超厚整板重载所致的应力微变形问题。

超高功率激光切割装备要切割40-100mm厚的钢板，当把12m*2.5m幅面的整板工件放在工作台上，其负载重力会使得焊接件构成的机床床身产生不同程度的弹性变形，在切割过程中还存在板材工件重量和重心的动态变化，从而对机床动态运行精度产生影响。

为了解决这一难题，奔腾激光提出了分体双机床中空结构设计方案，床身与工作台支撑分体的优势包括热隔离、重载应力隔离和实现厚板满幅面高精度稳定切割；在闪电8机床上，采用基于高精度光栅尺的导轨精度闭环动态补偿伺服驱动系统，实现高速和高精度长期稳定运行。

图2.分体双机床中空结构设计优势显著

全数字总线式高速高精度控制系统及逻辑环网专用通讯的操作系统

奔腾激光自主研发了全新一代 Z32 Florens 系列全数字总线式数控系统及 Smart Manager 6 控制系统软件。

Z32 Florens全数字总线式数控系统采用双PC硬件架构，由下位机做伺服电机控制，上位机做外围控制，通过高速数字总线实现逻辑环网专用通讯，使伺服驱动与CNC通讯更加快捷，机床运行速度和响应速度更快；支持丰富的端口类型。

Smart Manager 6 控制系统软件在自研Z32 Florens 系列数控系统硬件平台优化定制开发，硬件和软件配合起来精度更高，延迟更短，传输速度快，稳定性更高。

具有完备的切割工艺参数数据库，对超高功率激光采用“材料-厚度-功率”分段匹配机制，实现智能化切割工艺支持。

全面的监控系统，可对设备运行中的每一步骤进行管理，进一步使设备的动态性能、运行精度及稳定性得到极大提升。

图3. 第三代Z32 Florens系列数控系统

支持超高功率的智能激光切割头及智能光束控制系统

智能激光切割头及智能光束控制系统是超高功率激光切割成套装备的“刀尖”技术。奔腾激光首次提出基于边缘计算原理的超高功率激光切割头“光-机-电-算”新系统架构，开发出彻底解决焦点漂移问题的自适应动态调焦新技术和超高功率激光切割头。

超高功率激光切割的焦点漂移问题主要源于激光切割头内部光路系统热透镜效应、折射率梯度分布效应和机械结构热变形，切割头内部的光学透镜组在长时间的切割过程中由于受到高功率激光的长时间照射，使光束聚焦后的焦点位置发生非受控波动现象。

未开启自适应动态调焦功能时，受切割头焦点漂移影响，30kW的焦点漂移测试结果可达到±4mm。这意味着，当焦点漂移到±4mm范围时，便很难保证切割效果和稳定性，尤其在厚板切割时无法保证切割效率和切割质量。

基于激光切割头内部光路系统热致焦点漂移的光机热一体化仿真结果，对切割头和控制软件做了多项创新，设计出“光-机-电-算”新系统架构的超高功率激光切割头。

在切割头内部布置多源温度传感器、压力传感器和杂散光传感器，采用D-S证据理论数据融合原则实现在线焦点漂移量的边缘端高速计算和动态变焦补偿，将超高功率激光切割过程的动态焦点漂移控制在允许范围内，保障了厚板长时间切割稳定性。

图4. 奔腾激光开发出彻底解决焦点漂移问题的自适应动态调焦新技术和超高功率切割头

同时，自适应光学调焦智能激光切割头采用M2.5光学放大系数设计，并且使用了长焦距的聚焦镜，提高被聚焦后的激光瑞利长度，使厚板切割时得到更为垂直的割缝。

在保证稳定切割的同时，比普通切割头提升了切割效率30%-50%以上，断面质量和垂直度也得到明显提升。开发的低气压切割喷嘴，大幅降低运行成本，省气可达60%以上。

五轴联动RTCP激光坡口切割摆头

当前，激光坡口切割也是一大应用热点。激光坡口切割是热变形小、切口质量佳的一种新型坡口加工手段。

在高功率激光切割装备上配备坡口切割摆头，能够灵活地将传统切割、焊接、铣削等多道工序完成的坡口加工一次完成，大幅提高加工效率、提升产品质量、提高工件精度，以及节省资源和成本，推动了应用行业的技术创新和装备升级。

奔腾激光自主研发的五轴联动RTCP激光坡口切割摆头，在三个机床运动轴 X、Y、Z 的基础上，坡口切割摆头引入了两个旋转轴。

旋转轴的引入使得刀尖（即激光束聚焦焦点）的运动转化为旋转运动和线性运动的耦合，基于Z32 Florens系列数控系统定制开发的RTCP功能可保证刀尖点（激光束聚焦焦点）与刀轴点（激光束光轴）自动沿坡口轨迹运动。

通常来说，单坡相对比较容易做，但V坡、K坡、留根坡等加工难度很大，主要源于定位和一致性等问题。坡口切割中，由于不同坡口角度的变化会导致切割高度的变化，如果不能及时进行高度调整，就必然会影响实际切割的工件精度。

对此，奔腾激光采用全闭环控制调高系统来校准机床精度（0.01mm），同时在标准喷嘴和喷嘴补偿模式上设置校准功能，从而使更换喷嘴时无需调光芯和调焦距。

图5. 超高功率坡口切割工件

这款30kW激光切割装备解决了超厚板材、高速切割、高精度高质量切割过程的稳定性技术难题，为中国高端装备制造提供一种新的加工工艺和方式。

该设备已经在市场上运行了1年多，目前有60多台30kW设备在客户现场使用，均反馈其稳定性优异。经过专家鉴定结论，30kW装备的相关技术指标达到国际同类技术领先水平。

利剑出鞘：激光切割工艺创新

这款30kW高速高精超厚板智能激光切割成套装备也实现了不少切割工艺的创新突破。

首先，研发了快速无渣切割厚板工艺技术，使无渣切割厚度提高5-10mm。

通常而言，高功率切割碳钢时采用空气切割，可大大提高切割速度。但空气切割厚板时时会产生大量挂渣而不被采用。

譬如20kW激光切割机采用空气切割时，无渣切割厚度只能达到15mm。奔腾激光通过引入空分自混装置实现无渣切割工艺创新，可提高碳钢切割厚度到20mm。

倘若采用30kW和40kW激光切割机，无渣切割厚度则能提高更多。

图6. 30kW无渣激光切割厚板工艺技术，可使无渣切割厚度提高5-10mm

其次，研发了碳钢中厚板（20-70mm）的高质量切割工艺。通常而言，厚板切割质量的6项评价指标包括切割精度、垂直度、断面粗糙度、尖角保护、小孔切割和智能收刀等。

图7-9分别展示了3款零件：图7是采用12kW功率气体切割25mm碳钢时的断面质量；图8是采用20kW功率氧气切割50mm碳钢时的断面质量。

重点来看图9，这是奔腾激光为三一集团某工程车辆零件做的高质量切割下料工艺测试，采用20kW激光功率切割40mm碳钢，轮廓尺寸精度0.05mm，切孔直径8mm，切割断面表面粗糙度12.5μm，割缝垂直度0.1mm。

实现了厚板无挂渣，无收刀瑕疵，无需二次加工，高亮面，高垂直度，高精度，高速激光零件制造的新突破。

超高功率激光切割的工业应用优势

激光切割作为一次工具革命，解决了传统等离子和火焰切割精度低、污染大、速度慢等问题。

航空航天、轨道交通、工程机械产业的迅猛发展对厚金属板材切割提出了更高要求，提高激光切割装机功率、实现对更厚金属材料的精细切割成了全球激光设备升级亟待破解的“卡脖子”难题。

因此，这款30kW的超高功率激光切割设备在工程机械、重卡制造、船舶制造、石油化工、铁塔制造、桥梁、机场、建模、国防军工等应用领域也寻觅到广泛的用武之地。

图10.超高功率激光切割设备纷繁的应用场景

以往，中低功率激光切割设备无法进行厚板切割，所以无法替代在工业应用领域广泛使用的等离子切割设备。通过研发20kW\30kW\40kW超高功率激光切割成套装备，其与等离子设备的切割速度相比呈现出明显优势。

以20mm碳钢为例，300A等离子切割速度约为2.5m/min，40kW激光切割速度则为7.5m/min，20kW激光切割也能达到4m/min。另外，针对50mm的碳钢，40kW激光切割速度可达到1.4m/min。

高功率激光切割厚板的工艺研究还在继续，其切割速度还有进一步提升的空间。毋庸置疑，超高功率激光切割装备完全能够取代等离子设备。

图11. 奔腾激光高功率切割设备跟等离子设备的加工速度对比（碳钢 MS）

图12反应了针对不同板材、不同功率的激光切割金属材料的极限能力。

例如，20kW激光切割不同金属材料的最大切割能力：不锈钢100mm，碳钢70mm，铝板80mm；而40kW激光切割的最大切割能力是：不锈钢220mm，碳钢130mm，铝板200mm。

激光切割板厚、切割速度的大幅提升，极大拓展了其工业应用场景。

图12. 20-40kW激光金属切割能力

相较于传统等离子切割设备，超高功率激光切割设备在综合经济效益方面也彰显诸多优势。归纳而言，其速度提升了300%，精度提高了300%，运行成本则降低了70%；可以实现切孔、尖角、坡口等多功能加工；环保无污染；通过切缝共边和留边排版，能够省料3%-5%。

因此，超高功率激光切割成套装备已经展现出不可估量的经济效益。譬如，1台20kW的激光切割机每年可加工1万吨钢板，倘若每吨钢板5000元，总额为5000万，而3%的省料每年便能带来150万的成本节约，约等于一台中低档20KW激光切割机床的价格。

另外，中低功率激光设备无法完成铣床，钻床和冲床加工，并且这类异性构件以往都需要进行二次加工，且效率低下。相较而言，目前采用一台30kW的激光切割装备便能高效完成各种异形构件的加工，生产效率提高30-60倍。

应用案例

当前，工程机械行业目前盛行采用高功率激光切割装备替代等离子切割机床和火焰切割机床。国内大型工程机械制造企业都大量采用了奔腾激光的切割设备。例如三一重工、中联重科、徐工集团、山重集团、临工、柳工等等。

三一重工大量采用万瓦激光装备替换现有等离子切割设备。2021年，三一重工采购了近百台奔腾激光设计制造的高功率激光切割机、坡口切割机和重型坡口切管机等设备。

图13. 湖南三一起重机厂运行着多台奔腾的万瓦激光设备

和传统加工工具比较，超高功率激光切割成套装备具有加工精度高、生产效率高、节省人工和材料、一机多用、清洁环保、智能物联等优点，成为替代传统机械制造工具的新手段和新工艺。

例如，浙江某企业需要加工一个较复杂的大型锅炉机械零件，零件材料为16mm/Q235碳钢，直径2m, 各种大小孔600+，还需要打坡口。

采用传统的制造工艺需要完成等离子下料+打磨+钻孔+铣孔+打坡口等多道工序，4台不同的设备，4次转运和定位，5-6人工作2天才能完成，合计80工时以上才能完成一件。

采用奔腾激光的30kW坡口激光切割成套装备后，1个人2小时即可完成该零件全部加工，无转运，加工精度高，节省人工和多种机械设备。

图14. 采用奔腾激光的30kW激光切割设备加工一个较复杂的大型锅炉机械零件，一个人一台设备2小时即可完成，无转运，加工精度高

PENTA LASER

综上所述，奔腾激光超高功率激光切割成套装备的广泛应用，已经充分展现加工板材范围广、切缝窄、精度高、切割断面粗糙度好、效率高、自动化程度高、材料利用率高、清洁环保和安全灵活、一机多用等优点。

未来，奔腾激光将继续加大高端人才引进和技术研发力度，以智能化、绿色化、定制化、可靠性为突破口，攻克一批激光加工装备领域的卡脖子技术；利用5G、人工智能、大数据和工业互联网技术，打造数字工厂和服务型制造企业；拓展激光加工应用领域，让激光技术更深更广的取代传统工具，全面服务赋能于装备制造业。

原文来自《中国激光界》