激光切割技術(shù)具有加工可控、高效率、高質(zhì)量的特點(diǎn),在工業(yè)加工上有著非常廣闊的應(yīng)用,如汽車工業(yè)、紡織機(jī)械、鈑金加工等。激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類。由于我國的激光技術(shù)起步較晚,切割核心技術(shù)依賴于進(jìn)口,這導(dǎo)致了國內(nèi)在高端激光切割上的緩慢發(fā)展。
但是,近年來,隨著“中國制造2025”的推動(dòng),激光切割技術(shù)也面臨著變革和機(jī)遇。變革意味著激光企業(yè)不僅要加大切割技術(shù)的投入,還要順應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化的潮流,讓激光切割更加的個(gè)性化;同時(shí),激光企業(yè)也將迎來更大的機(jī)遇,激光切割技術(shù)在提高工業(yè)加工效率上有著不可替代的優(yōu)勢(shì),工控技術(shù)的發(fā)展給激光行業(yè)帶來更多的可能,切割技術(shù)未來將會(huì)拓展到更多的領(lǐng)域,對(duì)促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展功不可沒。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士表示,未來激光切割將向著這些方向發(fā)展,高速、高精度的切割技術(shù)、厚板切割和大尺寸工件切割、三維立體多軸數(shù)控激光切割技術(shù)、無人化與自動(dòng)化的激光切割技術(shù)成主要的研究方向。
激光切割頭在激光切割中扮演著至關(guān)重要的角色
激光切割機(jī)是體現(xiàn)激光切割技術(shù)最直接的設(shè)備,它是將從激光器發(fā)射出的激光,經(jīng)光路系統(tǒng),聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面,使工件達(dá)到熔點(diǎn)或沸點(diǎn),同時(shí)與光束同軸的高壓氣體將熔化或氣化金屬吹走。隨著光束與工件相對(duì)位置的移動(dòng),最終使材料形成切縫,從而達(dá)到切割的目的。
激光切割機(jī)作為一種新興的板材加工設(shè)備,經(jīng)過不斷的技術(shù)更新和工藝發(fā)展,激光切割工藝及激光切割機(jī)設(shè)備,正被廣大板材加工企業(yè)所熟悉和接受,并以其加工效率高、加工精度高、切割斷面質(zhì)量好、可進(jìn)行三維切割加工等諸多優(yōu)勢(shì)逐步取代等離子切割、水切割、火焰切割、數(shù)控沖床等傳統(tǒng)板材加工手段。根據(jù)激光發(fā)生器的不同,目前市面上激光切割機(jī)大致可分為三種:CO2激光切割機(jī)、固體(YAG)激光切割機(jī)、光纖激光切割機(jī)。
噴嘴、聚焦透鏡和聚焦跟蹤系統(tǒng)的好壞關(guān)系著切割質(zhì)量
在激光切割機(jī)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中,激光切割頭的好壞直接影響到切割的質(zhì)量,常見的激光切割機(jī)切割頭由噴嘴、聚焦透鏡和聚焦跟蹤系統(tǒng)組成。
1、激光頭噴嘴在激光切割中的作用
激光頭噴嘴是光纖激光切割機(jī)床上最常用的易耗件,隨著光纖激光切割技術(shù)的發(fā)展和廣泛運(yùn)用,這幾年激光頭噴嘴的需求大增。噴嘴的形式主要有平行式、收斂式和錐形式三種,切割質(zhì)量與噴嘴的形式和噴頭尺寸有著密不可分的關(guān)系。
第一個(gè)作用是收集電容信號(hào),通過陶瓷環(huán)將其傳送到信號(hào)處理器,信號(hào)處理器發(fā)出信號(hào)到機(jī)床控制中心,機(jī)床控制中心依據(jù)該信號(hào)做出反饋,調(diào)整激光頭垂直方向的位置,從而保持切割過程中激光頭對(duì)工件的距離跟蹤;
第二個(gè)作用是用其內(nèi)部形狀,引導(dǎo)氣體順利通過被切割工件,并在噴嘴出口附件形成高壓。噴嘴出口孔徑越小,形成的氣壓越高。如果是氧化切割,高壓氧氣在通過噴嘴后,在工作面上一部分通過同被切割件發(fā)生氧化反應(yīng)提供熱量,加速切割;另一部分就高速通過切割面,帶走熔渣并在切割面保持適當(dāng)?shù)膲毫?,確保切割順利進(jìn)行。
第三個(gè)作用是保護(hù)激光頭內(nèi)部鏡片。激光切割過程中,尤其是打孔時(shí),常常有溶渣濺射,激光頭噴嘴吹出的高壓氣體能將絕大部分的濺射物擋在外面,保護(hù)鏡片免受傷害。
2、聚焦透鏡與激光切割關(guān)系
聚焦透鏡具有普通光學(xué)透鏡的一般特性但又有其獨(dú)特之處。利用它可以制成超短焦距的透鏡,也可以在端面上形成實(shí)象,容易獲得與物體同樣大小的正立實(shí)象。
利用激光束的能量進(jìn)行切割, 必須把激光器射出的原始光束經(jīng)過透鏡聚焦, 才能形成高能量密度的光斑。透射式透鏡使用非常簡(jiǎn)單,激光束穿過該透鏡時(shí),透鏡把激光束沿軸向聚焦到工件上。在常見的工業(yè)激光系統(tǒng)中,噴嘴都含有氣體洗滌的功能,也就是在噴嘴處引入氣體噴流,以幫助提高激光束和材料相互作用的性能,同時(shí)高速氣流還起著與光學(xué)系統(tǒng)隔離的作用。氣體噴流防止材料加工污染物進(jìn)入噴嘴而污染透鏡表面。反射式聚焦系統(tǒng)用了另加的光束折向器和后聚焦反射鏡。在此條件中,有兩個(gè)額外光學(xué)系統(tǒng),即硒化鋅窗和光束折向器,窗口的作用是使在噴嘴上面封離聚焦系統(tǒng)。
透射式聚焦頭有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn),即光束易于調(diào)整和允許光束有偏心之類的小偏差,即允許光束偏心或角度偏離地射入透鏡。反射式透鏡頭適用于高功率水平的場(chǎng)合,對(duì)大功率激光系統(tǒng)的應(yīng)用很理想,產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)少,在苛刻的焊接環(huán)境下很耐用。理論上,拋物反射鏡應(yīng)把激光束聚焦到光束的衍射極限。衍射極限是對(duì)特定激光束直徑和模式質(zhì)量所能達(dá)到的最小焦斑。拋物面反射鏡是最難調(diào)整的反射鏡系統(tǒng)之一,因此,在高功率激光系統(tǒng)中,通常很難達(dá)到衍射極限的聚焦。對(duì)焊接來說,并非總是要求使用小光斑,因此,在此種應(yīng)用中反射鏡很合適。
近幾年,市場(chǎng)對(duì)大功率激光器的需求上升,傳統(tǒng)透鏡焦深和焦斑存在制約關(guān)系,增加焦深必然引起焦斑尺寸的擴(kuò)大,在很多情況下無法滿足激光加工的要求,長(zhǎng)焦深、高分辨的聚焦透鏡成為了新的市場(chǎng)需求。
聚焦透鏡的焦距和焦點(diǎn)位置都對(duì)激光切割質(zhì)量有影響,高速切割薄型材料適合選用短焦長(zhǎng)透鏡,切割厚工件適合選用長(zhǎng)焦長(zhǎng)透鏡。
3、聚焦跟蹤系統(tǒng)在激光切割中的角色
激光切割機(jī)聚焦跟蹤系統(tǒng)一般是由聚焦切割頭和跟蹤傳感器系統(tǒng)組成。切割頭包括導(dǎo)光聚焦、水冷、吹氣以及機(jī)械調(diào)整部分組成; 傳感器是由傳感元件和放大控制部分組成。傳感元件的不同,跟蹤系統(tǒng)也不同。
目前,主要有兩種形式的跟蹤系統(tǒng),第一種是電容式傳感器跟蹤系統(tǒng), 又被稱為非接觸式跟蹤系統(tǒng);第二種是電感式傳感器跟蹤系統(tǒng), 又被稱為接觸式跟蹤系統(tǒng)。
激光頭的工作流程是這樣的,激光器產(chǎn)生激光,通過外光路傳輸,在切割頭內(nèi)經(jīng)聚焦鏡聚焦后,作用于被加工材料表面,將材料氣化或者在切割氣體(主要是氧化)輔助下形成熔池。切割輔助氣體經(jīng)過切割頭(含噴嘴)導(dǎo)流后產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)有力的氣流吹掉產(chǎn)生的熔渣,同時(shí)防止材料氣化附著在聚焦鏡的表面使其損壞,防止產(chǎn)生等離子體或者等離子體和氣體的混合體。
智能制造時(shí)代新要求:自動(dòng)調(diào)焦切割頭受追捧
智能制造技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化必須去研究的課題,就目前而言,市場(chǎng)上真正做到的并不多。以自動(dòng)調(diào)焦切割頭為例,國內(nèi)以奧森迪科為主的激光切割頭廠商已經(jīng)有能力做到。
(奧森迪科A310M切割頭)
焦點(diǎn)控制指的是激光切割機(jī)在切割不同材料以及不同厚度的板材時(shí),為了達(dá)到更好的切割效果,激光束的焦點(diǎn)都會(huì)設(shè)置在不同的地方,即稱為我們所說的調(diào)焦。隨著工控技術(shù)的突破,能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦切割頭在激光切割自動(dòng)化中不可或缺。
在激光切割應(yīng)用早起,調(diào)焦的主要方式是依靠手動(dòng)來進(jìn)行完成,如今隨著激光技術(shù)的發(fā)展,這種手動(dòng)調(diào)焦的方式已經(jīng)逐漸淘汰,自動(dòng)調(diào)焦功能已經(jīng)開始慢慢得以實(shí)現(xiàn)。
激光切割頭底部為噴嘴,在切割過程中,噴嘴高度不變,所以不能通過升降切割頭來調(diào)焦。聚焦鏡的焦距是不可改變的,所以也不能指望通過改變焦距來調(diào)焦。如果改變聚焦鏡的位置,則可改變焦點(diǎn)位置:聚焦鏡下降,則焦點(diǎn)下降,聚焦鏡上升,則焦點(diǎn)上升,這是調(diào)焦的一種方式。采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)聚焦鏡作上下運(yùn)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦。
另一種自動(dòng)調(diào)焦的方法是在光束進(jìn)入聚焦鏡之前,置一變曲率反射鏡,通過改變反射鏡的曲率,改變反射光束的發(fā)散角度,從而改變焦點(diǎn)位置。
有了自動(dòng)調(diào)焦功能,在加工不同材質(zhì)、不同厚度的工件時(shí),機(jī)器可自動(dòng)將焦點(diǎn)快速調(diào)整到最合適的位置,這樣可以顯著提高激光切割機(jī)的加工效率,厚板穿孔時(shí)間也會(huì)大幅縮減。所以,對(duì)于激光切割機(jī)而言,自動(dòng)調(diào)焦功能是一項(xiàng)重要并不可缺少的功能。
(奧森迪科A200E-QBH切割頭)
自動(dòng)化切割頭這幾年在國內(nèi)的使用率越來越高,但之前由于價(jià)格較高,很多國內(nèi)廠商在采購時(shí)對(duì)此猶豫不決。隨著國內(nèi)廠商在自動(dòng)化切割技術(shù)上的投入,以奧森迪科等為主的國內(nèi)廠商在自動(dòng)化切割頭技術(shù)上取得了很多突破。
自動(dòng)化切割頭與數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)合,讓激光切割更加“智能”
自動(dòng)調(diào)焦切割頭的出現(xiàn)讓激光切割技術(shù)更進(jìn)一步,在推動(dòng)激光切割自動(dòng)化上,它扮演者不可或缺的角色,而擁有與之配套的數(shù)控系統(tǒng)則讓激光切割更加“智能”。
自動(dòng)調(diào)焦切割頭的主要優(yōu)勢(shì)在于通過數(shù)控系統(tǒng),動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置、氣壓大小和跟隨高度,從而實(shí)現(xiàn)切割工藝的自動(dòng)化調(diào)節(jié);這樣既實(shí)現(xiàn)了普通手動(dòng)切割頭無法完成的工藝要求,又可將復(fù)雜工藝過程固化到數(shù)控系統(tǒng)中。
激光切割數(shù)控系統(tǒng)與自動(dòng)調(diào)焦切割頭以及激光器等其他智能設(shè)備的緊密配合,才能使激光切割加工變得“智能”。
作為國內(nèi)專業(yè)從事激光切割聚焦系統(tǒng)、機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)與制造的科技型企業(yè),奧森迪科憑借在機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制和工程光學(xué)方面多年的研究與技術(shù)積累,推出“激光切割+多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)+設(shè)備管理云平臺(tái)”三位一體的激光切割應(yīng)用解決方案,使生產(chǎn)制造真正實(shí)現(xiàn)智能化,效率更高、成本更低、功能更全,是客戶追求核心競(jìng)爭(zhēng)力和利益最大化的最佳選擇。
據(jù)悉,奧森迪科的激光切割應(yīng)用解決方案分為A-cutter系列光纖切割頭、激光切割數(shù)控系統(tǒng)、Au3tech數(shù)控云平臺(tái)三部分組成。
奧森迪科助力激光切割自動(dòng)化
2018年對(duì)于激光產(chǎn)業(yè)而言,可謂是快速增長(zhǎng)的一年。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),隨著我國激光應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展以及應(yīng)用深度的加大,未來行業(yè)需求前景看好,預(yù)計(jì)行業(yè)規(guī)模復(fù)合增速在10%以上。新的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)激光切割技術(shù)的要求更高,這要求激光切割機(jī)廠商提升自身技術(shù),順應(yīng)新的市場(chǎng)潮流,搶占新的商機(jī),運(yùn)用激光切割自動(dòng)化的技術(shù)已經(jīng)刻不容緩。
據(jù)悉,武漢奧森迪科智能科技股份有限公司是一家專業(yè)從事工業(yè)激光聚焦系統(tǒng)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)、銷售的高新技術(shù)企業(yè),成立于2011年。公司以工業(yè)激光聚焦系統(tǒng)為業(yè)務(wù)重點(diǎn),融合機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制和工程光學(xué)三大技術(shù)領(lǐng)域。
激光切割面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
總結(jié):任何一項(xiàng)技術(shù)的普及都需要一個(gè)過程,隨著中國對(duì)激光加工的需求增長(zhǎng),激光切割技術(shù)的自動(dòng)化更加顯得重要。激光切割頭在激光切割技術(shù)中扮演著至關(guān)重要的角色,而高質(zhì)量的自動(dòng)調(diào)焦切割頭技術(shù)無疑是推動(dòng)這個(gè)行業(yè)的加速劑,未來它將在促使激光切割技術(shù)自動(dòng)化上扮演著中流砥柱的作用。
近幾年,隨著國家的重視以及企業(yè)對(duì)核心技術(shù)的投入等,國內(nèi)在尖端激光切割技術(shù)上也取得了一些成績(jī),如激光切割頭技術(shù),這些進(jìn)步離不開企業(yè)自身的努力。當(dāng)然,我們也得清晰地認(rèn)識(shí)到,在激光切割核心技術(shù)上,我們離國際頂尖水平仍有差距,技術(shù)研發(fā)上還有很長(zhǎng)的路要走,但相信在不久的將來,我們?cè)诩夹g(shù)上將更加有底氣。
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