白瑋 溫勁葦

1. 概述

在鈑金加工與制作領(lǐng)域，激光切割與等離子切割技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。近幾年，隨著激光和等離子切割電源技術(shù)的快速發(fā)展及數(shù)控技術(shù)水平的不斷提升，光纖激光和精細(xì)等離子高質(zhì)量切割加工設(shè)備的應(yīng)用取得快速發(fā)展。當(dāng)前板材的厚度、切割質(zhì)量和切割設(shè)備的價(jià)格細(xì)分了鈑金加工制作的市場(chǎng)應(yīng)用群體，特別是廣大中小企業(yè)用戶迫切需要金屬板材切割范圍寬、性?xún)r(jià)比高、多功能實(shí)用的數(shù)控激光等離子切割一體機(jī)設(shè)備。

2. 光纖激光切割應(yīng)用特點(diǎn)

（1）激光切割 激光束通過(guò)聚焦鏡聚集激光能量作用到加工材料表面上，加工材料在激光焦點(diǎn)處產(chǎn)生局部高溫（達(dá)10 000 ℃以上），使加工材料的被加工點(diǎn)瞬時(shí)熔化或者汽化從而形成割縫， 同時(shí)用一定壓力的輔助氣體將割縫處的殘余熔渣吹除， 配合激光頭的運(yùn)行軌跡最終達(dá)到切割加工的目的。

對(duì)光纖激光而言，所需能源大大減少——約為CO2激光器的三分之一。由于產(chǎn)生的熱量越少，冷卻器的體積就可以相應(yīng)縮小?？傊谶_(dá)到相同性能的情況下，光纖激光器的整體能耗要比CO2激光器低70%。

（2）光纖激光切割優(yōu)缺點(diǎn) 目前光纖激光切割機(jī)的應(yīng)用已遍布到各個(gè)金屬加工行業(yè)，特別適合6mm以下金屬材料的非接觸切割、鏤空和打孔加工。

其特點(diǎn)如下：

光纖激光切割機(jī)比較其他激光切割機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：首先是性?xún)r(jià)比較好的金屬激光切割機(jī)。它通過(guò)高質(zhì)量、高密度的光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切割效果，它的光束直徑小，切割的縫隙小，光斑質(zhì)量好，可用于精細(xì)切割加工；其次光纖加工的特點(diǎn)是加工柔性化程度高，無(wú)需對(duì)外光路反射鏡及激光氣體充氣等日常維護(hù)，這點(diǎn)是CO2激光切割機(jī)所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)它的光電轉(zhuǎn)化率高達(dá)25%以上（CO2激光切割機(jī)的光電轉(zhuǎn)化率為8%～10%），耗電少，可以減少企業(yè)的加工成本；在5mm以下的薄板金屬切割中優(yōu)勢(shì)顯著。

光纖激光切割機(jī)的缺點(diǎn)：由于光纖激光器所發(fā)射波長(zhǎng)及吸收率等特點(diǎn)，不能切割非金屬材料，在遇到切割金屬厚板材料時(shí)吸收率會(huì)下降，限制光纖激光切割機(jī)所切割金屬板材的厚度；激光切割相對(duì)等離子切割成本高，初期投入和后期維護(hù)需要較高的費(fèi)用；目前，光纖激光在切割金屬薄板性?xún)r(jià)比較高，但在切割中厚板時(shí)效率低，效果不理想。不適宜用光纖激光切割。因此，厚度5mm以上的金屬板材不是光纖激光切割的優(yōu)勢(shì)。另外，光纖激光切割機(jī)應(yīng)用的高端核心技術(shù)的光纖激光器價(jià)格高，特別是千瓦級(jí)以上的大功率光纖激光器售價(jià)昂貴，增加了設(shè)備投入和后續(xù)維護(hù)的成本。同時(shí)，由于光纖激光切割機(jī)的波長(zhǎng)較短，在使用的過(guò)程中會(huì)對(duì)操作人員的眼睛有些傷害；不過(guò)做好防護(hù)措施，戴上專(zhuān)用防護(hù)眼鏡就沒(méi)多大問(wèn)題了。

3. 等離子切割應(yīng)用特點(diǎn)

（1）等離子切割 等離子切割機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的熱切割設(shè)備，其工作原理是通過(guò)空氣壓縮氣體利用高溫在噴嘴處噴射出來(lái)的高速氣流離子化，從而形成導(dǎo)電體。當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，該導(dǎo)點(diǎn)氣體即形成高溫等離子電弧，電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化（和蒸發(fā)），并借助高速等離子氣流的動(dòng)力排除熔融金屬以形成切口的一種加工方法。利用環(huán)形氣流技術(shù)形成的細(xì)長(zhǎng)并穩(wěn)定的等離子電弧，保證了能夠平穩(wěn)且經(jīng)濟(jì)地切割任何導(dǎo)電的金屬材料。

（2）精細(xì)等離子切割優(yōu)缺點(diǎn) 精細(xì)等離子割槍工藝技術(shù)與等離子弧電流密度匹配輸出，通常是普通等離子弧電流密度的數(shù)倍，由于引進(jìn)了諸如旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等技術(shù)，故在其電弧穩(wěn)定性得以提高的同時(shí)，精細(xì)等離子切割配合不同的工作氣體可以進(jìn)行高質(zhì)量的金屬切割，尤其是對(duì)于有色金屬（不銹鋼、鋁、銅、鈦、鎳）切割效果更佳；其主要優(yōu)點(diǎn)適于切割厚度3～30mm的金屬，特別是在切割普通3mm碳素鋼薄板時(shí)，速度可達(dá)10m/min、切割面光潔、熱變形小、幾乎沒(méi)有熱影響區(qū)。目前隨著大功率精細(xì)等離子切割技術(shù)的成熟，已使切割質(zhì)量接近激光切割精度的下限(±0.2mm)。由于激光切割機(jī)價(jià)格昂貴，所以目前只適合于薄板切割(通常厚板打孔時(shí)間長(zhǎng))，而精細(xì)等離子切割機(jī)切割精度和效果接近激光切割的水平，切割表面質(zhì)量近似，但切割成本遠(yuǎn)低于激光切割，約為其 1/3。因此，對(duì)常規(guī)質(zhì)量切割的要求，6～30mm的中厚金屬板材使用精細(xì)等離子切割機(jī)來(lái)取代價(jià)格昂貴的激光切割機(jī)是最經(jīng)濟(jì)的加工方式選擇。

等離子切割的缺點(diǎn)：不適合3mm以下金屬薄板切割，切縫寬，精度差；切割5mm以上金屬的切割面垂直度不好，使用精細(xì)等離子切割雖可大大改善，但效果不如激光好。對(duì)切割要求精度較高（±0.2mm以下）的情況下，等離子切割較困難。普通等離子切割產(chǎn)生較多的割渣，為不影響后工序的質(zhì)量，此割渣必須通過(guò)修磨去掉，也增加了人工成本；使用精細(xì)等離子切割會(huì)改善很多。等離子切割的原理決定了在切割過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有害的粉塵和弧光，可采用注水或水下等離子切割來(lái)避免此缺陷。數(shù)控系統(tǒng)易受到等離子電源的引弧干擾，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)電磁兼容抗干擾的屏蔽技術(shù)要求較高。

綜上所述，在切割材料厚度、精度方面，光纖激光切割在金屬薄板材料的高精度效果的質(zhì)量切割方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)；精細(xì)等離子在金屬中厚板材的切割中，無(wú)論在設(shè)備投入成本還是在加工費(fèi)用等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

4. 數(shù)控激光等離子切割一體機(jī)的應(yīng)用與研發(fā)

通過(guò)上述從多方面闡述了激光、等離子特別是光纖激光切割、精細(xì)等離子切割各自的優(yōu)勢(shì)和不足，為研制數(shù)控激光等離子切割一體機(jī)提供了很好的市場(chǎng)應(yīng)用和技術(shù)開(kāi)發(fā)的背景。

（1）數(shù)控激光等離子切割一體機(jī) 數(shù)控激光等離子切割一體機(jī)在技術(shù)開(kāi)發(fā)方面二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既體現(xiàn)了光纖激光切割金屬薄板高精度的優(yōu)勢(shì)，又注重了精細(xì)等離子切割金屬中厚板材的類(lèi)激光加工效果。實(shí)現(xiàn)了通過(guò)在單臺(tái)設(shè)備上可以進(jìn)行金屬薄、中、厚板材的多規(guī)格、多品種，以及不同質(zhì)量要求的高精度、高精細(xì)的效果切割。

數(shù)控激光等離子切割一體機(jī)設(shè)備分別進(jìn)行激光、等離子切割過(guò)程中，采用組合切割機(jī)頭的運(yùn)行方式，可共用一套機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和工作臺(tái)，一套CNC電氣數(shù)控系統(tǒng)和切割加工及套料軟件等，使得設(shè)備制造成本大幅降低。

（2）數(shù)控激光等離子切割一體機(jī)研制的技術(shù)路線 在具體研發(fā)環(huán)節(jié)方面，著重解決以下一些技術(shù)問(wèn)題：

第一，一體機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題。根據(jù)激光、等離子激勵(lì)能源和各自特點(diǎn)，能源激勵(lì)方式采用高頻、高壓、大電流的驅(qū)動(dòng)電源，對(duì)設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)和微機(jī)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾。針對(duì)這一技術(shù)難題，在數(shù)控系統(tǒng)的研制過(guò)程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要思路是：采用目前國(guó)際先進(jìn)的數(shù)控PLC模塊為數(shù)控系統(tǒng)的核心并配置有關(guān)的軟硬件系統(tǒng)。需要傳輸?shù)男盘?hào)必須經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理；硬件電路的設(shè)計(jì)必須加入電磁兼容環(huán)節(jié)并經(jīng)過(guò)相應(yīng)干擾環(huán)境的檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證具有很好的抗干擾性能；設(shè)備用交流電源輸入端口安裝工頻電網(wǎng)凈化處理裝置來(lái)屏蔽干擾源等。這些措施有效地解決了設(shè)備電磁干擾的技術(shù)問(wèn)題。

第二，一體機(jī)數(shù)控系統(tǒng)工藝庫(kù)的建立。無(wú)論激光還是等離子切割的工藝效果主要取決于以下的加工參數(shù)，如：切割激勵(lì)源激光功率或等離子電流、切割噴射頭與工件相對(duì)位置、配置和輔助氣體壓力、切割速度、穿孔次數(shù)、彎角變化參數(shù)等。首先，這些切割的工藝參數(shù)必須通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)切割板材的材質(zhì)、厚度自動(dòng)選擇切割方式和相關(guān)的工藝參數(shù)配置。因此，選擇的數(shù)控系統(tǒng)首先必須能夠擴(kuò)充開(kāi)放的用戶編程和數(shù)據(jù)庫(kù)容量；其次，編程語(yǔ)言必須與外部控制部件通信兼容。

目前，經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在已有的激光切割和等離子切割相互獨(dú)立數(shù)控切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，建立了激光等離子切割一體化的數(shù)控加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)際應(yīng)用，效果良好。

第三，一體機(jī)托料工作臺(tái)的設(shè)計(jì)。對(duì)于鈑金加工制作中小企業(yè)廠房空間有限，很多不具備橫跨空間的吊裝起重設(shè)備。針對(duì)激光主要用于金屬薄板切割，等離子用于中厚金屬板材切割的加工特點(diǎn)，一體機(jī)托料工作臺(tái)的設(shè)計(jì)為導(dǎo)軌移動(dòng)式。這種設(shè)計(jì)方式既方便人工裝卸金屬薄板，也可使用簡(jiǎn)易吊裝起重裝置完成中厚金屬板材切割的上下料。相比龍門(mén)橫梁導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)節(jié)省設(shè)備占地面積，相比交互式上下料工作臺(tái)節(jié)省了設(shè)備成本，如圖1所示。

第四，一體機(jī)應(yīng)用效果。采用500W國(guó)產(chǎn)光纖激光器，120A進(jìn)口精細(xì)等離子電源；切割金屬板材厚度和精度（以碳鋼板為例）：激光切割厚度0.3～6mm，精度≤±0.1mm；等離子切割厚度3～25mm，切割精度≤±0.5mm；切割面積為3 000mm×1 500mm；一體機(jī)切割頭空程最大運(yùn)行速度為12m/min；切割效果如圖2、圖3所示。

（3）數(shù)控激光等離子切割一體機(jī)研發(fā)的不斷完善 一體機(jī)設(shè)備在研發(fā)中亟待解決的問(wèn)題和使用方面的一些不足：第一，共用一套數(shù)控系統(tǒng)，需要進(jìn)一步解決激光和等離子加工方式和工藝技術(shù)參數(shù)的共享與區(qū)分。第二，由于等離子切割過(guò)程的粉塵較大，除采用注水拖料臺(tái)、加強(qiáng)除塵風(fēng)力外，還需要對(duì)激光頭相關(guān)外露的精密零部件加以防護(hù)。第三，對(duì)大批量，多規(guī)格厚度的金屬板材，使用單臺(tái)數(shù)控激光等離子切割一體機(jī)設(shè)備的切割加工效率受到影響。

圖1

總之，數(shù)控激光等離子切割一體機(jī)設(shè)備研發(fā)的目的是在廣闊的鈑金加工與制作市場(chǎng)領(lǐng)域?qū)ふ页霾糠中枨笥脩舻娜后w，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的市場(chǎng)應(yīng)用。為企業(yè)和社會(huì)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。整機(jī)設(shè)備外觀如圖4所示。

圖2 激光切割效果

圖3 等離子切割效果

圖4

5. 結(jié)語(yǔ)

21世紀(jì)我國(guó)的數(shù)控切割行業(yè)面臨各種新的挑戰(zhàn)，國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。我們應(yīng)瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水平，找準(zhǔn)產(chǎn)品的市場(chǎng)需求定位，引領(lǐng)國(guó)內(nèi)同行業(yè)技術(shù)水平的普遍提高，帶動(dòng)行業(yè)廠家轉(zhuǎn)變經(jīng)營(yíng)理念，只有這樣企業(yè)才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗，并謀求壯大、發(fā)展。另外，在不斷開(kāi)發(fā)研制新產(chǎn)品的同時(shí)，還要在加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新、科研開(kāi)發(fā)和質(zhì)量管理上下功夫，使我國(guó)數(shù)控切割行業(yè)迅速達(dá)到世界先進(jìn)水平，從而在振興民族工業(yè)，提高我國(guó)的綜合國(guó)力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)自身產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；?guó)際化。

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