從等離子到激光：萬瓦激光如何顛覆金屬加工工藝？

近期，碳鋼快速切割工藝成了激光行業(yè)的熱門話題，新工藝帶來的效率提升也進一步證明了超高功率激光并非僅是噱頭。同時，隨著激光功率不斷提升、加工工藝不斷改進，越來越多的重工領域都開始嘗試使用激光切割代替等離子切割。為進一步探究激光功率提升、工藝改進對金屬加工行業(yè)的影響，OFweek激光網聯合創(chuàng)鑫激光應用中心對各種激光工藝的切割效果進行了測試。

工藝升級1.0：從等離子到激光

在激光應用普及之前，碳鋼中厚板通常用火焰切割、等離子切割、高壓水切割等傳統(tǒng)工藝，其中以等離子切割為代表。等離子切割是利用高溫等離子電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化，并借高速等離子的動量排除熔融金屬以形成切口的一種加工方法。等離子切割配合不同的工作氣體幾乎可以切割各種類型的金屬，通過調節(jié)切割電流也可切割超厚板材。

對等離子切割而言，等離子電源的切割電流其最重要的切割工藝參數，直接決定了切割的厚度和速度：電流越大，等離子電弧能量增加，切割能力越強，切割速度也隨之提高。但是，切割電流增大也會使等離子電弧直徑增加，電弧變粗，使得割縫變寬；同時，切割電流過大也會使噴嘴熱負荷增大，噴嘴損傷后切割質量也隨之下降。

在加工中薄板時，等離子切割具有速度快、端面光滑等優(yōu)點，但材料越厚，等離子切割端面越粗糙，垂直度也越差。此外由于等離子電弧直徑較寬，使得等離子切割無法切割精密小孔。隨著激光的興起，為應對激光切割的沖擊，等離子切割行業(yè)開發(fā)出精細等離子切割設備，通過極大地縮小噴嘴孔尺寸而產生極度壓縮弧，大幅提高電流密度，獲得更高的切割精度和更好的光潔度，但依然無法達到激光切割的效果。

圖片來源：奔騰激光及創(chuàng)鑫激光應用中心

激光切割憑借更高速、更高精度、更環(huán)保而逐步贏得市場認可。早期激光功率較低時，激光切割僅在薄板加工上有優(yōu)勢，無法加工中厚板。近年來激光功率不斷走高，從6kW，到8kW，12kW，15kW，20kW，再到30kW，功率不斷提升，工藝不斷改進，激光切割的瓶頸也不斷被打破。

工藝升級2.0：激光切割的工藝迭代

截至目前，碳鋼切割隨著激光功率的提升已錘煉出四種常用工藝，分別是磨砂面切割工藝、亮面切割工藝、空氣／氮氣切割工藝、以及最新的氧氣快速切割工藝。OFweek激光網聯合創(chuàng)鑫激光應用中心，使用創(chuàng)鑫激光20kW激光器切割20mm碳鋼材料，對各種激光工藝的切割效果進行了測試。

早期的磨砂面切割工藝采用大噴嘴氧氣切割，使用功率較低，切割速度較慢，工件錐度也較大。測試中，創(chuàng)鑫激光器輸出2.1kW功率，切割速度為0.65m/min，樣品單邊錐度為0.5mm。

20mm碳鋼磨砂面切割

亮面切割工藝使用了更小的噴嘴，提升了切割速度，同時也提升了端面光潔度，降低了工件錐度。測試中，創(chuàng)鑫激光器輸出20kW功率，切割速度為1.7m/min，樣品單邊錐度為0.1mm。目前，對質量要求高的工件仍需使用亮面切割工藝。

20mm碳鋼亮面切割

空氣/氮氣切割工藝亮點在于速度大幅提升，將碳鋼切割的速度提升到不銹鋼切割的水準，同時空氣切割成本更低，只需負擔空壓機電費及空氣凈化系統(tǒng)的費用。但空氣切割端面較為粗糙，且底部有難以去除的熔渣，還需要另外使用打磨工具。測試中，創(chuàng)鑫激光器輸出20kW功率，切割速度為3m/min，樣品單邊錐度為0.15mm。

20mm碳鋼空氣切割

最新的氧氣快速切割工藝已在市場上得到應用，并憑借速度快（超過空氣切割13％，超過亮面切割100％）、無毛刺而受到市場歡迎。盡管這種工藝切割的端面雖不及亮面切割工藝，但優(yōu)于空氣／氮氣切割工藝。測試中，創(chuàng)鑫激光器輸出20kW功率，切割速度為3.4m/min，樣品單邊錐度為0.15mm。

20mm碳鋼快速切割

除以上切割測試外，創(chuàng)鑫激光工程師還用最新工藝切割了30mm碳鋼。經測試，使用氧氣快速切割工藝切割30mm碳鋼速度可達2m/min，單邊錐度為0.2mm。

30mm碳鋼快速切割

技術整合：萬瓦一機多用 優(yōu)化工藝流程

早期的低功率激光切割多用于落料加工，隨著激光功率不斷提高、新工藝不斷改進，進一步釋放了設備商的技術整合空間，萬瓦時代的激光切割已開始往一機多用的方向發(fā)展。例如，在加工下圖齒輪時，20kW激光切割機憑借能夠一次性切尖角、端面光滑的優(yōu)勢，可取代300A等離子切割機、去毛刺機、銑床，滿足航空航天、電力設備、石油設備、汽車制造等行業(yè)的高精度要求，并將加工時長從27min5s減少至58s（12kW激光切割機加工時長為1min30s）。

圖片來源：創(chuàng)鑫激光

此外，系統(tǒng)集成商在萬瓦激光器的基礎上，增加坡口切割功能，能夠實現一臺機器取代等離子切割、鉆床、銑床、去毛刺機等多臺機器。目前，奔騰激光、華工激光、大族激光等均已將高功率坡口激光切割機推向市場。

奔騰激光在今年9月的上海工博會上展示了坡口切割機一機多用的效果。一塊直徑2m、厚度18mm的碳鋼圓盤，上有560個大小不一的圓孔，包含平面切割、45度V型和Y型坡口切割工藝。如以傳統(tǒng)工藝來生產，需要鉆床鉆小孔、銑床銑大孔、去毛刺、倒角等多個工序，經過多次轉場及重新定位，4個人耗費2天時間才能完成。而奔騰激光15kW帶坡口的激光切割機，只用1個工人在1臺機床上就能完成所有的工序，全程耗時3.5小時，大大提高了效率，節(jié)約了時間、場地、人力等。

奔騰激光工博會展示坡口切割2m大圓盤

萬瓦激光受市場追捧 功率或將繼續(xù)提高？

通過與創(chuàng)鑫激光共同進行的工藝測試及市場應用情況，我們可以看到功率提升對工藝升級的促進作用：一方面能夠提升本身切割材料的能力、效率及質量，另一方面還能夠取代傳統(tǒng)工藝、傳統(tǒng)設備，解放人力，節(jié)省時間。

萬瓦激光的應用及推廣為金屬加工帶來更多可能性，萬瓦激光也因此受到市場追捧。從上海工博會情況來看，萬瓦激光器已成為常規(guī)武器，各廠家均展示了萬瓦產品。從市場選擇來看，萬瓦激光器也從被質疑發(fā)展到出貨量過千，并朝著更高功率發(fā)展。

上海工博會激光器廠家萬瓦齊發(fā)

目前，在20kW的終端用戶裝機量上IPG和創(chuàng)鑫激光處于領先位置，而創(chuàng)鑫激光更是在不久前率先實現了30kW產品的交付。未來光纖激光器功率是否會繼續(xù)提高？有人認為，現在的功率已經足夠滿足市場的需求，同時配套跟不上，追求更高功率是空中樓閣。但創(chuàng)鑫激光市場與品牌負責人曾劍鋒則堅定認為：“創(chuàng)鑫激光作為國產萬瓦激光器的開拓者，不斷對自己提出更苛刻的要求，同時不斷輸出行業(yè)標準和方案。未來，創(chuàng)鑫激光將繼續(xù)拓寬國產超高功率工業(yè)激光器道路，將在萬瓦甚至更高功率鉆研各細分行業(yè)的切割解決方案，助推國內泛工業(yè)領域及產業(yè)升級發(fā)展！”