傳統(tǒng)大型制造作業(yè)長期依賴氧燃料切割和等離子切割這兩種熱切割工藝，數(shù)十年來它們一直主導(dǎo)著板材加工領(lǐng)域。雖然這種主導(dǎo)地位短期內(nèi)不會(huì)改變，但超高功率激光切割技術(shù)正強(qiáng)勢崛起，開始加工超大型和超厚板材。

 

“制造商仍需根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適工藝，”Tecoi美國公司業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Carlos Rodriguez指出，“當(dāng)前市場存在一個(gè)認(rèn)知誤區(qū)——由于激光功率大幅提升，有人認(rèn)為，僅需一臺(tái)激光設(shè)備就能取代多臺(tái)等離子和氧燃料切割機(jī)。然而，實(shí)際情況遠(yuǎn)非如此。”

 

 

位于美國德克薩斯州朗維尤市的Tecoi公司，專精于各類大型熱切割設(shè)備制造，涵蓋氧燃料切割、等離子切割及激光切割工藝。本期內(nèi)容，就超大型板材切割趨勢與Rodriguez進(jìn)行了深度訪談。

 

制造商在優(yōu)化大型板材切割流程時(shí)，需要考慮三大關(guān)鍵因素。第一，零件輪廓及孔洞切口等邊緣質(zhì)量要求；第二，加工厚度范圍；第三，包含物料搬運(yùn)和后續(xù)工序在內(nèi)的真實(shí)切割成本。

 

 

激光功率的革命性突破
有些制造商認(rèn)為，一臺(tái)高功率全自動(dòng)激光切割機(jī)可取代多臺(tái)等離子切割系統(tǒng)。雖然氧燃料切割仍在超厚板材加工領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位——畢竟龍門架上成排的氧燃料割炬的效率優(yōu)勢難以撼動(dòng)。

 

但部分加工企業(yè)已開始重新評(píng)估，特別是針對(duì)0.5-1英寸（12.7-25.4mm）厚度板材的批量加工。Rodriguez指出，三大技術(shù)突破正引發(fā)行業(yè)關(guān)注：首先是超強(qiáng)1微米波長激光器在光束特性與輔助氣體技術(shù)上的進(jìn)步。不久前，光纖激光器還完全不被視為CO2激光器的替代方案，但近年來不斷提升的激光功率正逐步改變市場格局。

 

Tecoi公司展會(huì)現(xiàn)場照片

 

隨著激光功率突破24kW大關(guān)，制造商正見證生產(chǎn)效率的顯著提升。新型輔助氣體技術(shù)——包括氮氧混合氣體——大幅改善了厚板切割的邊緣質(zhì)量。惰性氮?dú)庥行宄锌p熔渣，而精確配比并均勻分布的氧氣則為切割過程提供“活性助推”，最大限度減少熔渣殘留。

 

部分企業(yè)還采用干燥壓縮空氣（氮氧混合氣體）作為輔助氣體，純氮?dú)鈩t能實(shí)現(xiàn)無氧化切邊。Rodriguez強(qiáng)調(diào)，如今的厚板激光切割擁有前所未有的靈活性和多樣化選擇。

 

當(dāng)這些技術(shù)與可形成寬切縫的高功率光束相結(jié)合時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)厚板材的潔凈穩(wěn)定切割。專為切割設(shè)計(jì)的固態(tài)1微米波長激光器中，傳輸光纖將光束導(dǎo)入激光切割頭，經(jīng)準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡組處理。光束整形技術(shù)、傳輸光纖及操控系統(tǒng)的進(jìn)步，使得光束輪廓可精準(zhǔn)調(diào)控，從而更高效地進(jìn)行厚板切割。

 

 

激光切割創(chuàng)新解決方案
Tecoi公司采用雙光纖傳輸系統(tǒng)（細(xì)徑光纖與粗徑光纖組合）。切割薄板時(shí)，系統(tǒng)全程使用細(xì)徑光纖完成穿孔和切割；處理厚板時(shí)，則采用細(xì)徑光纖穿孔、粗徑光纖切割的復(fù)合工藝。

 

采用單激光源功率分配技術(shù)的雙頭激光切割系統(tǒng)（集成坡口加工功能）

 

“細(xì)徑光纖穿孔厚板時(shí)能實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，”Rodriguez解釋道，“而在切割階段切換為粗徑光纖，可完美適配厚板加工需求。”

 

現(xiàn)代切割頭設(shè)計(jì)更注重應(yīng)對(duì)重型板材加工的嚴(yán)苛環(huán)境。觀察激光設(shè)備作業(yè)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，新一代切割頭采用修長流線型設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)能最大限度使光學(xué)元件遠(yuǎn)離切割區(qū)的金屬飛濺——隨著高功率激光加工的板材厚度不斷增加，這種防護(hù)需求變得愈發(fā)重要。

 

 

減少二次加工
纖薄型切割頭為激光斜切技術(shù)——這項(xiàng)原本等離子切割的專屬工藝——提供了施展空間。Rodriguez指出，當(dāng)切割頭傾斜角度達(dá)50度時(shí)，加工厚度會(huì)相應(yīng)增加，因此激光斜切目前通常限于1英寸（25.4mm）及以下板材。

 

這種斜切能力可加工沉頭孔、帶平臺(tái)Y型坡口及多種復(fù)雜坡口形狀。以K型坡口為例（在板材厚度中部保留垂直平臺(tái)），需要三道工序：底部坡口、中部平臺(tái)和頂部坡口的依次加工。

 

這臺(tái)多功能激光切割機(jī)配備兩個(gè)可坡口加工的激光切割頭，以及一個(gè)集成六組鉆攻刀具的獨(dú)立加工頭

 

雖然復(fù)雜坡口確實(shí)需要多次切割會(huì)降低效率，但Rodriguez強(qiáng)調(diào)，傳統(tǒng)的“英寸/分鐘”等切割指標(biāo)無法體現(xiàn)最大優(yōu)勢——完全省去二次加工。誠然，對(duì)比等離子與高功率激光切割，激光優(yōu)勢明顯。但在超厚板材（1英寸/25.4mm以上）加工時(shí)，速度提升并不顯著。不過若能一次性完成坡口加工，免除后續(xù)打磨或機(jī)加工工序，高功率激光的綜合優(yōu)勢將遙遙領(lǐng)先。

 

 

邊緣精度與多功能激光系統(tǒng)的平衡
Rodriguez特別強(qiáng)調(diào)，激光切割的優(yōu)勢始終與具體應(yīng)用需求緊密相關(guān)——特別是零件輪廓的切割質(zhì)量要求，以及內(nèi)部孔洞和切口的復(fù)雜度與尺寸。若無法滿足應(yīng)用所需的邊緣質(zhì)量，再高的切割效率也將失去意義。

 

從技術(shù)特性來看，激光切割在定位精度（切口位置精確性）方面表現(xiàn)卓越，而等離子切割的化學(xué)反應(yīng)則能產(chǎn)生更光滑的切邊。許多高功率激光的早期采用者選擇轉(zhuǎn)型，正是為了徹底取消二次機(jī)加工（這是使等離子切割邊緣達(dá)到公差要求的唯一方法）。對(duì)這些用戶而言，切割精度至關(guān)重要，但未必需要等離子切割所擅長的那種光滑切邊。

 

激光切割在公差精度方面能實(shí)現(xiàn)極高的邊緣準(zhǔn)確度，但其切面光潔度仍不及等離子割炬的加工效果
 

“激光切割邊緣仍會(huì)留下紋路痕跡，”Rodriguez指出，“雖然從公差控制來看，激光遠(yuǎn)優(yōu)于等離子切割，但如果表面光潔度更為關(guān)鍵，等離子可能仍是更優(yōu)選擇。”

 

若等離子切割的邊緣質(zhì)量能滿足大部分（非全部）要求，多功能加工系統(tǒng)將成為理想解決方案——這種工作臺(tái)不僅具備熱切割功能，還可進(jìn)行鉆孔和攻絲?，F(xiàn)代高精度等離子系統(tǒng)能加工出錐度極小、光潔度極高的微孔，實(shí)現(xiàn)2:1甚至1:1的孔徑-板厚比。

 

但Rodriguez解釋稱，即便最精密的等離子切割孔仍存在切入切出痕跡及微量錐度，這時(shí)集成鉆孔攻絲功能就顯現(xiàn)出價(jià)值。另一個(gè)典型應(yīng)用是超出等離子切割極限的超厚板材加工，操作人員可先在2英寸厚板上鉆引導(dǎo)孔，再從邊緣起始切割。

 

許多板材加工商轉(zhuǎn)向激光切割，部分原因在于其優(yōu)異的制孔能力。激光束極高的能量密度可快速穿透材料，產(chǎn)生的熱影響區(qū)更小，并能實(shí)現(xiàn)直徑與板厚比低至0.5:1的微孔加工。但需注意，激光切割本質(zhì)上仍是熱加工工藝，既無法加工超微細(xì)孔，又不能進(jìn)行螺紋攻絲。

 

Tecoi公司車間現(xiàn)場
 

“為此，多功能激光切割機(jī)應(yīng)運(yùn)而生——在激光頭同一龍門架上集成鉆攻單元。這主要針對(duì)微小孔加工。”Rodriguez解釋道，激光的極高精度通常使7/8英寸以上的鉆孔需求不復(fù)存在。與等離子/氧燃料多功能設(shè)備類似，這些激光系統(tǒng)配備特殊格柵，其軟質(zhì)（激光系統(tǒng)采用鋁制）定位銷可有效防止工具損壞。

 

在此類配置中，設(shè)備通常先完成全板面的鉆孔攻絲，再由激光頭加工剩余輪廓和內(nèi)部形狀。得益于激光較低的熱輸入（相比等離子特別是氧燃料），切割頭可采用最短路徑完成全板加工。而其他熱切割技術(shù)往往需要編程人員將加工路徑分區(qū)交替進(jìn)行，通過“熱量分散”來實(shí)現(xiàn)最小化變形。

 

 

功率提升與多切割頭協(xié)同創(chuàng)新
更高激光功率看似理想，但單純增加千瓦級(jí)功率輸出所帶來的邊際效益卻遞減——尤其加工厚板時(shí)，以“英寸/分鐘”為衡量標(biāo)準(zhǔn)尤為明顯。這意味著24kW功率的切割速度并非12kW的兩倍。將24kW功率分配給兩個(gè)切割頭，各輸出12kW光束，這才是提升產(chǎn)能的有效途徑。

 

Tecoi公司的雙頭系統(tǒng)采用某國外知名激光企業(yè)的激光器，單一激光源同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)切割頭。在此配置下，加工接近設(shè)備極限厚度的板材時(shí)，可集中全功率輸出至單個(gè)切割頭；處理較薄板材時(shí)，則分配功率實(shí)現(xiàn)雙12kW切割頭同步作業(yè)。

 

 

板材切割自動(dòng)化革新
假設(shè)某制造商已配備集成鉆攻功能的雙頭激光系統(tǒng)，這套看似為極致產(chǎn)能打造的配置，卻可能因等待材料而閑置——這正是當(dāng)前痛點(diǎn)。

 

在常規(guī)布局中，大型切割機(jī)的工作臺(tái)往往長達(dá)數(shù)百英尺。激光切割頭所在的防護(hù)罩與龍門架沿臺(tái)面縱向移動(dòng)。完成切割后，龍門架移至臺(tái)面另一塊板材，而工人需用起重機(jī)吊運(yùn)成品與廢料框架。

 

該塔式系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立切割工作臺(tái)構(gòu)成，每個(gè)工作臺(tái)配備專用格柵，可承載重達(dá)數(shù)千磅的大型板材

 

這種布局雖能維持設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，但對(duì)于追求極簡人工的超高產(chǎn)能需求則不行，專為板材切割設(shè)計(jì)的塔式系統(tǒng)提供了解決方案。該系統(tǒng)是多層獨(dú)立切割臺(tái)的垂直堆疊，每個(gè)工作臺(tái)可將重達(dá)數(shù)千磅的厚板輸送至激光切割區(qū)。

 

Rodriguez補(bǔ)充道，板材切割自動(dòng)化技術(shù)高度可定制化，包括自動(dòng)分板系統(tǒng)。升降機(jī)將多層板材定位至大型穿梭式切割臺(tái)，當(dāng)加工程序完成后，機(jī)器人自動(dòng)取件并放置到旋轉(zhuǎn)式分揀料箱。相鄰工作臺(tái)則存放機(jī)器人無法處理的超厚板材原料及廢料框架，供人工裝卸。

 

 

系統(tǒng)集成與自動(dòng)化適配策略
此類自動(dòng)化方案的適用性，自然取決于制造商的零件組合特征及生產(chǎn)批量。要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)板材切割系統(tǒng)的峰值產(chǎn)能，需綜合考量多重因素。Rodriguez以切割臺(tái)下方的振動(dòng)輸送系統(tǒng)為例說明——這套裝置能自動(dòng)清除熔渣。重型切割作業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量熔渣，因此板材切割系統(tǒng)必須配備高效的廢料清除方案。

 

厚板切割會(huì)產(chǎn)生大量熔渣，格柵下方的自動(dòng)振動(dòng)輸送系統(tǒng)可有效清除這些廢料

 

盡管這類大型自動(dòng)化系統(tǒng)代表了板材切割自動(dòng)化的尖端水平，但Rodriguez強(qiáng)調(diào)，工藝選擇仍需回歸基礎(chǔ)考量：邊緣質(zhì)量要求、厚度范圍和加工批量。等離子切割能獲得激光難以企及的光滑切邊，但在切割精度上始終遜色于激光。

 

雖然激光在多數(shù)情況下快于等離子切割，但當(dāng)產(chǎn)品以1.5-2英寸（38.1-50.8mm）厚板為主時(shí)，等離子或氧燃料切割（或兩者兼用）可能更為適合。誠然，超高功率激光也能切割1.5英寸（38.1mm）甚至更厚材料，但這并非其最佳生產(chǎn)區(qū)間。

 

目前來看，制造商能否用一臺(tái)多功能多頭激光切割機(jī)完全取代所有等離子設(shè)備，尚不現(xiàn)實(shí)。但這臺(tái)設(shè)備能消除大量后續(xù)二次加工，為厚板加工車間帶來顯著的競爭優(yōu)勢。