一、激光切割技術發展歷程

激光技術是近幾年發展迅猛的一門高科技技術,其中的激光切割技術更是被廣泛應用于工業生產,可以切割金屬、非金屬、塑料、木材、玻璃等材料,其加工領域廣泛,并且切割成本低、效率高、加工工件質量好。

我國激光切割發展大致經歷以下幾個階段:

圖表 1:中國激光切割技術發展歷程

行業探索期(1957-1961年):在愛因斯坦提出激光理論的40年后,1957年我國科學家在長春建立了所光學專業研究所——(長春)光學精密儀器機械研究所(簡稱“光機所”),在老一輩專家帶領下,一批青年科技工作者迅速成長,短時間內凝聚了富有創新精神的中青年研究隊伍,提出了大量提高光源亮度、單位色性、相干性的設想和實驗方案。隨著1960年一臺激光器的問世,我國激光器的研發也開始提速,并于1961年成功研制我國臺紅寶石激光器,1965年研制成臺二氧化碳激光器。

行業起步期(1965-1978年):在我國研制出臺二氧化碳激光器后的短短幾年內,國內激光技術迅速發展,在基礎研究和關鍵技術方面、一系列新概念、新方法和新技術(如腔的Q突變及轉鏡調Q、行波放大、錸系離子的利用、自由電子振蕩輻射等)紛紛提出并獲得實施,其中不少具有性,并開始逐步將激光用于材料切割領域。

高速發展期(1978-現在):改革開放以來,激光切割技術獲得了發展的機遇,激光科技事業取得了的進步,涌現出一批水平的成果,激光切割技術基本做到了在我國材料加工領域全覆蓋。

二、激光切割原理及切割頭

激光切割是將激光器發射的高強度的激光集中在一起,然后照射在加工材料(工件)表面,在照射的過程中,激光的光能迅速轉化成熱能,使得材料照射區里的溫度迅速達到材料(工件)的熔點乃至沸點,材料(工件)在高溫作用下被融化乃至氣化,這時再利用輔助氣體將融化的殘渣吹開,冷卻形成小洞;在數控系統的引導下,隨著工件與激光的不斷相對運動,兩者之間不斷作用,不斷吹除融化殘渣,使孔洞連續形成寬度很窄的切縫,從而達到切割材料的目的。

圖表 2:激光切割工作原理

與傳統的切割方式相比,激光切割具有精度良率高,速度快,操作簡單,生產成本低等明顯優勢。傳統機械切割主要包括線切割、氧氣乙炔割炬切割和等離子切割等特種加工方法,但這些方法均適用范圍有限,例如線切割利用電火花穿孔進行加工,僅可加工導電與半導電材料,而激光切割可加工任何金屬與非金屬材料,伴隨著激光技術發展,更小的激光光束斑點直徑能帶來更好的切后表面粗糙度,同時加工過程不會產生過多的熱影響和材料變形效果,無需進行二次加工。

在激光切割過程中,激光切割頭將激光器生成的發散光聚焦到材料表面,材料吸收激光能量熔融后,切割輔助氣體把熔融金屬排出,實現加工材料的切割分離,是激光切割設備的重要組成部分。激光切割頭的組成部分主要包括光纖連接塊、準直組件、聚焦組件、保護鏡盒、傳感器及控制盒、割嘴等。

圖表 3:激光切割頭結構

光纖連接塊是光纖導入切割頭的接口部分,常見的接口有QBII接口、QD接口等;準直組件主要承擔將出自光纖的發散光收斂起來,將其拉直或準直的作用;聚焦組件將激光束聚集成高密度的光斑或光速,光斑越小密度越高,在工件表面形成的切割縫隙也越小,從而達到高精度高速度的切割效果;保護鏡盒用于將外界與切割頭內部光路隔絕,保證光路密封,防止灰塵和雜質進入光路,延長激光切割頭的使用壽命;傳感器及控制盒傳感器相當于人體的大腦,它能感應、控制設備的切割動作,感覺切割頭與工件表面的距離,感應切割頭與工件邊緣的距離等等;割嘴是距離被切割工件最近的零部件,在切割過程中,噴嘴會在切割面形成氣場,將切割過程中產生的熔渣吹走,防止激光頭被異物污染。

三、激光切割頭行業概述

與國外發達國家激光切割技術相比,我國的激光切割技術仍存在差距。在產業方面,一些中、高檔激光產品及其材料、元器件仍然停留在開發階段,或尚未形成規模,高檔、高智能、高自動化的激光產品比較缺乏。

目前激光切割頭市場主要由德國普雷茨特、美國貳陸集團、恩耐等國外企業掌控,國內激光切割設備雖然具自主研發及生產切割頭等核心部件的能力,但在銷售產品中應用比例相對較低。

圖表 4:激光切割頭市場主要競爭者

以國內激光切割設備宏石激光為例,公司雖然生產激光切割頭產品,但公司仍需向國外廠家采購激光切割頭產品。2020年,宏石激光對普雷茨特精密技術(上海)有限公司的采購金額高達2,783．75萬元,位列2020年度公司供應商第五位。

圖表 5:2020年度宏石激光前五供應商情況

四、激光切割頭行業發展趨勢

隨著激光切割機的日益發展,切割頭的重要性越來越凸顯。近年來自動調焦切割頭的應用越來越廣泛,切割頭紛紛推出調焦與變焦相結合的切割頭。其中德國Precitec的Procutter系列產品采用準直鏡調焦,該系列的自動調焦切割頭頗受激光切割機制造商和客戶青睞;其中貳陸集團推出的BIMOFSC-MZ系列可獨立設置焦點位置和焦點直徑,其焦點位置可在+10～-30mm調節,放大倍數在1．2～3．2之間,在厚板切割中發揮重要作用,尤其是切割厚鋁板或不銹鋼厚板,切割斷面得到保證。