來自：可 金屬加工 江蘇激光聯(lián)盟陳長 ** 載

  編者按

  管材是日常生活中不可或缺的部件，如何提高其加工質(zhì)量和效率是制造業(yè)面臨的一個重要問題。近年來，激光切割管材成為了機加領(lǐng)域的熱門技術(shù)，不少知名企業(yè)不斷推出相關(guān)產(chǎn)品和解決方案。為什么激光切管如此受到重視？它在管材加工中占有什么地位？今天我們就來聊聊有關(guān)激光切管的那些事。

   01

  為什么選擇激光切管？

  除了激光切割，管材加工的傳統(tǒng)切割方法還有手工切割、滾輪擠壓、鋸床切割、砂輪切割、氣焊切割等。然而，比起這些方法，激光切割在加工質(zhì)量和效率、節(jié)省人力、減少毛刺等方面都具有顯著優(yōu)勢。專業(yè)的激光切管機對單根管材的加工自動化程度更高，可以看看下面的視頻了解一下。

  視頻資料，建議WiFi觀看

  視頻中正在進行加工工作的就是激光切管機。我們可以看到，激光切管機是由數(shù)控系統(tǒng)控制，以管材軸向運動作為X軸、管材旋轉(zhuǎn)作為A/B軸、切割頭水平移動作為Y軸，切割頭為Z軸。加工需求有改變時，只需調(diào)整編程即可。如果搭載自動上下料系統(tǒng)，就能讓原本復(fù)雜的加工過程一步到位。

  使用激光切割管材的優(yōu)勢在于，第一，切邊的熱效應(yīng)很小，工件幾乎不會產(chǎn)生變形；第二，它是一種無接觸加工方式，不會對工件施加壓力，也就不會造成變形或磨損的問題；第三，激光束可控，適應(yīng)性和靈活性更高；第四，切割效率可提高8~20倍，同時節(jié)省15%~30%的材料損耗。

   02

  CO2激光 vs 光纖激光

  CO2激光和光纖激光是切割領(lǐng)域中最常用的兩種激光。CO2激光的工作原理是CO2氣體在高頻高壓下受到激發(fā)產(chǎn)生激光，經(jīng)過諧振腔中的偏振鏡后反射聚焦進行切割。

  

  CO2激光原理圖

  1.激光發(fā)生器 2.驅(qū)動單元反射鏡 3.光路

  4、5、6.角度反射鏡 7.聚焦透鏡

  除了銅材料由于反射性高，會使激光全部反射回激光器之外，CO2激光可以切割絕大部分金屬材料，還可以切割半導(dǎo)體、非金屬材料等。然而，這種技術(shù)會受到反射鏡距離范圍限制，而且反射鏡需要維護和校準(zhǔn)。由于CO2的氣體純度問題，諧振腔也需要定期清理。對于一個數(shù)千瓦級二氧化碳系統(tǒng)來說，這些工作每年至少花費2萬美元。在這種情況下，光纖激光就有了用武之地。

  光纖激光的激光源是多模泵浦二極管，通過分支在諧振腔調(diào)整后耦合進單根光纖形成激光。

  

  光纖激光原理圖

  1.激光源 2.諧振腔 3.冷卻系統(tǒng) 4.光路

  與CO2激光相比，光纖激光沒有范圍限制，可以加工銅材料，維護成本更低，最重要的是可以在光電轉(zhuǎn)換效率達到25%以上的同時大大提高切割速度（一般CO2激光的光電轉(zhuǎn)換效率為10%左右）。

  光纖激光的局限性在于基本不能切割非金屬材料，另外，光纖激光的穿孔時間比CO2激光長，對于切割較厚的材料沒有優(yōu)勢。雖然近年來光纖激光發(fā)展迅猛，但依然無法完全取代CO2激光技術(shù)。

   03

  激光切管是完美技術(shù)嗎？

  當(dāng)然不是。管材切割時，尤其是小直徑方管，熔渣會附著在管內(nèi)壁，產(chǎn)生的大部分熱量被工件吸收。如果切割密度較大，管材有可能過熱，出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，影響切口質(zhì)量。除此之外，割縫熱場復(fù)雜、冷卻困難、切割熔渣易堵塞等也是需要深入研究的問題。

  

  對于管材加工領(lǐng)域的熱門產(chǎn)品激光切管機，這項技術(shù)在十幾年前還一直掌握在國外企業(yè)手中。我國高效專業(yè)的激光切管設(shè)備從2008年之后才開始正式成長起來，但發(fā)展速度十分可觀。除了德國通快、意大利BLM等外國企業(yè)，大族激光、宏山激光等國內(nèi)激光制造商已經(jīng)具備了替代我國市場中進口產(chǎn)品的能力，并廣泛出口到國際市場。

  從這些代表企業(yè)推出的產(chǎn)品可以看出，目前針對激光切管機的研究和改進重點包括以下幾點：

  1.應(yīng)用多樣性

  在實際應(yīng)用中，管材常常有不同的壁厚和截面形狀，這兩點對設(shè)備夾具的夾持效果提出了很高要求。夾持力太小，管材會發(fā)生竄動，產(chǎn)生加工偏差；夾持力太大，會導(dǎo)致管材變形。目前的激光切管機已經(jīng)可以做到加工標(biāo)準(zhǔn)管材時，根據(jù)材質(zhì)壁厚自適應(yīng)快速調(diào)節(jié)夾緊力。也有利用傳感器監(jiān)控，使自定心卡盤能夠適應(yīng)任何管材幾何形狀的技術(shù)。

  

  （通快官網(wǎng)）

  2.輔助支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

  在高速切割過程中，管材會因為自重而下垂，由于固定卡盤的滾筒處管材下垂曲率的變化，工件的理論長度也會改變，影響到后續(xù)折彎或孔位加工等步驟的準(zhǔn)確性，因此需要加強對管材的支撐。可以通過伺服機構(gòu)控制支撐面移動或自動調(diào)整位置的滾輪實現(xiàn)管材與支撐面的有效貼合。

  

  （通快官網(wǎng)）

  3.自動上下料系統(tǒng)

  雖然大部分激光切管機已經(jīng)實現(xiàn)了上下料自動化，但依然會出現(xiàn)效率低、管材表面易劃傷等問題。以大族激光P6018D為例，針對這些問題采用尼龍面上滑動式上料方式，限位推動分管，以及浮動式支撐的下料系統(tǒng)，將小轉(zhuǎn)軸鑲嵌在支撐板中，減少工件間刮擦。

  

  總而言之，管材激光切割的前景可以說是一片光明的，未來還將向高精度、高自動化、柔性化、功能多樣化的方向發(fā)展。不斷進行實踐，完善其工藝系統(tǒng)，對整個激光切割行業(yè)的發(fā)展都具有重要研究意義與價值。

  參考資料：

  [1]鈑金與制作：《管材激光切割的研究》，作者：林峰

  [2]湖南大學(xué)：《激光切管機切割精度與切割質(zhì)量影響因素的研究》，作者：夏小川

  [3]金屬加工（熱加工）：《CO2激光與光纖激光切割工藝及成本分析》，作者：曲志遠等

  [4]焊接切割聯(lián)盟：《激光切割：光纖VS二氧化碳，哪種更適合你》，來源：迅鐳激光

  [5]激光制造網(wǎng)：《金屬激光加工之管材切割》，作者：Steven

  [6]世界制造技術(shù)與裝備市場：《大族激光P6018D全自動激光切管機的研發(fā)與應(yīng)用》，作者：大族激光

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