浅谈万瓦激光切割技术在我国的发展与应用

文/杨绪广·济南邦德激光股份有限公司

激光是人类近代以来划时代的发明成就，与原子能、半导体、计算机并列为20世纪的“新四大发明”，激光技术的进步大幅促进了物理学、光学革命性的发展，同时对其他学科的技术及应用，如机电工程学、材料科学、医学等也都产生了巨大的影响，对人类社会文明产生了极其深远的意义。

万瓦激光切割技术的发展历程

我国激光技术应用于材料加工起步于1985年，2000年前后实现了二氧化碳激光切割设备的批量销售，自此中国进入了激光材料加工高速增长的“黄金20年”。期间，在2009年诞生的光纤激光材料加工技术，进一步促进了激光材料加工市场的“井喷”。至此，300W、500W到2015年的6000W、2018年的10000W，再到2020年20000W、30000W，无论是市场容量还是主流功率，都呈现出“指数级”增长的趋势；切割材料的厚度也从1至5mm，变为不锈钢最大150mm，碳钢70mm（图1）；可切割种类也不断增多；最大的切割速度也已超过100m/min，达到了传统机械驱动精度保证的极限。

光纤激光加工技术的面世并实现全面普及，第一是得益于光纤激光器光电转换率高、切割速度快、割缝小、光斑质量高、切割精度高等来自本身显著的技术特点；第二是得益于中国经济的高速发展以及制造业的升级转型，恰逢其会；第三是随着工业4.0和绿色环保理念的逐渐普及，自动化、传感等先进技术的不断加持、融合，大幅提高了激光切割设备的自动化、智能化水平。同时，以低能耗、低污染、高材料利用率、高质量的优势，逐渐实现对火焰、等离子等传统热加工的替代，进一步获得市场增量。

但随着激光切割设备的功率进入到万瓦时代，整个行业对激光切割下一步的发展方向和趋势有着不同的争议，功率似乎已经超过了行业的需求，而更高功率的工业应用前景并不清晰，是要更厚还是要更快，莫衷一是。尤其受今年疫情的影响，整个行业有竞争白热化、低端化和技术空心化的趋势，价格战早已开启。

由此，笔者结合20年的个人行业经验以及本司多年的市场数据分析，以“第一性原理”视角，回到起点、回归本质，分析行业、客户的真实需求，就超高功率光纤激光技术在金属切割领域的进一步发展与应用发表一些浅见，进而抛砖引玉，希望对行业发展尽微薄之力。

激光切割与常规切割在中厚板领域的工艺对比

光纤激光切割机发展初期凭借速度快、精度高的特点进入到钣金加工行业，很快就覆盖了广告、灯箱、环保、厨具等薄板行业。而随着激光器功率的不断增大，切割能力越来越强，激光切割设备也逐渐在工程机械、汽车船舶、钢结构、轨道交通、模具等中厚板乃至厚板加工行业快速普及，并凭借优秀的切割质量、加工效率以及低廉的使用成本颠覆了传统的切割工艺。以目前的金属板材成形加工工艺为例，过程大致如图2所示。

作为加工过程的第一步——下料切割，目前市场上常规的板材切割工艺大体分为火焰切割、等离子切割和激光切割。而对于中厚板材下料切割的主要方法在五、六十年代用氧乙炔火焰切割，但七十年代以后，为了改善和提高火焰切割的切口质量，又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。各种切割下料方法都各具其优缺点，在工业生产中有一定的适用范围。例如：火焰切割是钢板粗加工的一种常用方式，设备成本低，是切割厚金属板唯一经济有效的手段，但与等离子比较起来，火焰切割的热影响区要大许多，热变形也比较大，无法对铜、铝等有色金属及不锈钢进行切割，且环境污染也较为严重。等离子切割，切割领域宽，可切割所有金属板材，切割速度快，效率高，且精度高于火焰切割，但在切割厚板时锥度较大，割缝较宽，批量加工的情况下会造成大量的材料浪费，并且会产生有害气体及大量烟尘，造成污染。而与传统的氧乙炔、等离子等切割工艺相比，激光切割具备速度快、切缝窄、热影响区小、切缝边缘垂直度好、切边光滑，同时可切割材料种类多的特点。激光切割技术的出现，开辟了激光技术在工业应用的新领域。

中厚板目前常用的切割方式为等离子切割与激光切割，等离子切割的弊端如下：(1)精度差，需要留有余量，后期二次加工。(2)切割缝隙较大，造成原料浪费，并且加工量越大，损失越大。(3)空气切割25mm以上厚度的碳钢，热变形较大。(4)切割断面锥度相比激光大30%～50%。(5)最小开孔直径较大，无法切割小孔。(6)配件损耗贵（进口品牌300元/天左右、国产品牌80元/天左右）。我们以切割厚度10mm钢板的每米消耗费用作出对比，如表1、表2所示。

表2 国内某激光切割设备使用消耗估算

通过以上理论计算可知，等离子设备的费用组成为电费、消耗品费用以及相关的气体费用，切割1m钢板总费用约0.59元；而激光切割设备的费用组成为切割气体费用、易耗品费用和电费，切割1m钢板总费用约0.344元。由此可知，激光切割在切割成本上明显优于等离子切割。

而在切割质量方面，激光切割的工件无毛刺和挂渣，表面光滑无塌边，切割精度基本可控制在0.1mm以内，且工件变形小，可以替代或省掉机加工工序，通过实际证明，激光切割的零件不进行机加工也可满足基本装配质量甚至于精密装配的质量要求。

另外，随着金属加工行业的环保要求日益严格，全封闭式的激光切割设备也成为加工市场的主流。同时，在中厚板加工领域，激光切割随着激光器功率的突破，正成功解决以往厚板加工的痛点，如本司计划今年9月份首发推出的40000W超高功率激光切割机，最大加工板厚提升50%，可至200mm（图3）；中厚板最大切割速度提升100%，空气切割厚度可提升至30mm，最大速度提升一倍。

而且超高功率激光设备给用户带来的不仅仅是切割厚度的不断突破，超高功率的激光切割可以在切割中、薄板时用压缩空气代替氧气及氮气，在大幅节约使用成本的同时，切割速度与氧气切割相比可提高一倍以上，进一步达到降本提效的目的。

结束语

由此我们可以大胆推断，未来超高功率的发展一定会颠覆行业的认知，从本质需求出发，获得高速的普及和发展。与此同时，激光切割机制造商将进一步完善相关装备、技术，使之适合超高功率发展的需要，譬如高速高精的运动控制装置与技术、高功率激光光学控制技术和机械防烧损技术等等，而随着我国超高功率激光器的研发成功以及激光切割设备的完美匹配，这将彻底打破激光行业进口品牌的垄断，也将颠覆整个金属加工行业的竞争格局。

中国历史十大傲骨诗词人

1

屈原

（战国时期）

傲骨指数：★★★★★

傲骨精髓：举世皆浊我独清,众人皆醉我独醒

史海遗珠：粽子、龙舟、楚辞

上榜理由：自他起中国有了诗人，并树立起诗人浪漫傲骄的高大上形象