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光学博览
激光切割功率逐步提高 万瓦切割头填补国内空白

近年来,激光技术在工业生产中扮演着越来越重要的角色。随着中国制造业向高端化、智能化转型进程的推进,传统加工工艺已难以满足市场对产品生产更高效率、更高精度的要求。激光技术凭借其效率高、耗材少、材料变形小、对加工对象适应性强等优点,在工业生产的各环节渗透率不断提高,成为高端制造中不可或缺的重要加工工具。

激光切割的市场现状

在众多的工业应用中,激光切割市场占据着最主要的份额。而随着光纤激光器的普及与中厚板材加工需求的增长,优势明显的高功率激光切割机逐渐成为市场新宠。与中小功率激光切割机相比,同等厚度的板材高功率激光切割机的效率更高。此外,伴随着功率大幅提高,切割工艺也随之发生了革命式的升级,在保证切割效率的同时还大大降低了用户加工的成本,同时也解决了“厚碳钢板生产不稳定”等老大难问题。

激光切割功率逐步提高 万瓦切割头迎来更多机遇

早在2017年,大族激光、奔腾激光等国内领先的激光设备厂商便先后推出了12KW的激光切割设备并实现小批量出货。到了2018年,12KW激光切割机在各大展会上如雨后春笋般涌现,而在大族激光、奔腾激光推出15KW激光切割设备之后,领创激光、宏山激光、邦德激光、力星激光等激光设备厂商也均先后推出自己的15KW产品。2019年,大族激光与奔腾激光再次更新激光切割的功率上限,推出20KW光纤激光切割机并推向终端市场。国产光纤激光器也逐步突破功率的限制,从12KW,到20KW、25KW,目前市面上最高已推出功率为30KW的光纤激光器。

万瓦设备难点何在?功能部件成主要制约

尽管我国高功率激光应用发展迅速,但功能部件的稳定性成了制约超高功率激光切割设备发展的障碍,切割头适配功率的增长远远低于激光器与激光切割机功率的增长。

激光切割机切割头的主要组成部分有喷嘴、聚焦透镜和聚焦跟踪系统。喷嘴是光纤激光切割机床上最常用的易耗件,主要有平行式、收敛式和锥形式三种,切割质量与喷嘴的形式和喷头尺寸有着密不可分的关系。

聚焦透镜是切割头的核心部件,激光器射出的原始光束经过透镜聚焦, 才能形成高能量密度的光斑。随着市场对大功率激光器的需求上升,传统透镜焦深和焦斑存在制约关系,增加焦深必然引起焦斑尺寸的扩大,在很多情况下无法满足激光加工的要求,长焦深、高分辨的聚焦透镜成为了新的市场需求。聚焦透镜的焦距和焦点位置都对激光切割质量有影响,高速切割薄型材料适合选用短焦长透镜,切割厚工件适合选用长焦长透镜。

激光切割机聚焦跟踪系统一般是由聚焦切割头和跟踪传感器系统组成,在激光切割机加工的过程中能够防止撞板和高低不平切割不理想的情况,迅速处理图形并且降低产品的次品率。目前,主要有两种形式的跟踪系统,第一种是电容式传感器跟踪系统,又被称为非接触式跟踪系统;第二种是电感式传感器跟踪系统,又被称为接触式跟踪系统。

目前,国内高功率切割头市场呈现普雷茨特一家独大的局面,大多数万瓦级以上的激光切割机配备的都是普雷茨特的切割头。在这样的局面下,国内企业奋起直追,大族激光、华工激光、奔腾激光等设备厂商也为自己的高功率激光设备稳定而加大了对切割头的研发投入并取得一定成果,而苏州钋镭自动化、武汉奥森迪科、上海嘉强自动化、深圳万顺兴等切割头厂家也都取得一定突破。据了解,钋镭自动化推出了能承受15kW超高功率的切割头并已实现量产,30kW切割头技术也已经实现突破。

激光切割功率逐步提高 万瓦切割头填补国内空白

PoHeader 30000W切割头

实现高功率切割头国产化难点何在

对高功率激光切割而言,切割头的稳定是一大难题。据OFweek激光网了解,切割头难点主要体现在镜片镀膜工艺、光路设计、冷却系统和电机定位4个方面。切割头制造商钋镭自动化的技术人员介绍说:“高功率切割头最根本的难点在于镜片。随着激光功率越来越高,镜片承受的功率密度也越大,确保高功率切割头的稳定镜片是最大的一个难关。我们通过镜片镀膜工艺的突破解决了这一问题,目前我们推出市面的切割头最高能稳定承受15kw的功率输出。”

在镜片问题之后,光路设计也是一大难题。由于高功率切割头的变焦方式基本上都是准直镜变焦,这与传统低功率切割头采用聚焦镜变焦的方式不同。移动准直镜对激光焦点的改变比移动聚焦镜大得多,对高功率激光头而言,如果准直镜向上移动距离光纤更近,所承受的功率密度也就更高。

除了镜片镀膜工艺和光路设计之外,切割头冷却系统、电机精密控制也是高功率切割头的难题。在板材切割过程中,激光功率提高带来更大的能量,增大了镜片、割嘴温度上升的几率,必须通过水冷或其他制冷方案来保证加工过程中的冷却。在电机控制方面,钋镭自动化在电机上设置了一些反馈方式,通过反馈进行补偿,校正位置使定位更精准的同时也加快了调焦的响应速度。

激光切割头前景预期

激光切割头的前景与激光切割市场密不可分。随着激光切割功率的提升,大大提高了加工效率,也大大拓展了可加工材料的厚度范围。随着智能制造进程的深入,激光未来的覆盖率和市场占有率都会越来越高。在这样的背景下,国产高功率切割头还有着非常广阔的发展前景。

除了功率提升之外,切割头未来还将走向智能化。目前市面上的低功率切割头只能看到焦点的变化,并不知道内部的情况。而高功率切割头承受的能量更高,及时、准确地掌握切割头内部情况尤为重要。因此,通过智能监测系统清楚地获悉准直镜、聚焦镜、保护镜温度情况,气体的压力状况,甚至是对镜片清洁度进行监测,都将是切割头未来的方向之一。

目前,6000W以上的国产切割头市场占有率较低。随着钋镭自动化在万瓦切割头领域率先取得突破,填补国内空白,国产切割头也将迎来更好的局面。据悉,钋镭自动化致力于为激光智能装备提供成套解决方案,公司秉承科技创新的理念去满足激光装备集成商的智能化需求。公司拥有强大的研发团队,获得国家多项专利,同时具备强大的售后服务团队为中国万瓦级激光智造的转型升级提供强大的服务。




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