3D激光坡口切割

基于光纤激光或光纤传导激光的数控激光坡口切割概念机由四大关键技术部件组成：

（1） 澳大利亚Trivers的TNC2000LA激光坡口切割专用数控器

（2） 如冈自动化控制技术（上海）有限公司的TB-1LA拟合角坡口切割机械手

（3） 中科同益YAG光纤传导激光器或阿帕奇半导体光纤激光器，配东露阳水冷系统

（4） 上海嘉强自动化的laserMech激光切割头及高度跟踪器

TNC2000LA激光坡口切割专用数控器在Trivers性能卓著的等离子平面以及坡口焊割数控器基础上，增加了激光功率和频率的高速平滑控制及其界面设置，在拐角、打孔的功率控制上更有精细的处理，支持多种激光类型和输出模式，配合激光高精度位置特性的螺距补偿功能，以及全面的切割气体控制。该款数控的制造商与著名柔性光路激光供应商中科同益和阿帕奇密切合作，针对光纤类激光的特殊性量身定做控制，并且建立和优化加工工艺参数库，尤其是复杂的坡口切割工艺参数，使得激光器控制得到优化，加工质量显著提高。

柔性光路激光系统的最大优点是免除了传统机械光路的复杂性和维护困难性，使得5轴联动的坡口切割动作完全依赖于坡口切割机械手，而无须任何光路方面的设计考量和设备投入。

上海如冈自动化的坡口切割机械手TB-1系列已在国内外数控坡口等离子切割机上有较广泛的应用，TB-1LA是专用于激光坡口切割的轻载高速型坡口机械手，在精度、刚性、惯性、速度方面比其等离子坡口切割头都有较大技术规格提升，保证了精密高速激光坡口切割的需求。

柔性传导激光目前有两大技术流派：YAG激光发生器，光纤传输，功率可达数千瓦，中科同益是较有代表性的一家；半导体光纤激光器，功率可到万瓦，国内目前流行的阿帕奇为行业内广为知晓。与传统的CO2激光器相比，YAG激光用于厚板切割时发散角较大（约为CO2的两倍），但金属对其吸收率较好（约为CO2的3倍），用于坡口切割时通过数控和坡口切割头对发散角进行动态补偿，同样功率下的切割厚度高于CO2激光，采购和运行成本也远低于CO2激光器。

一台柔性光路激光坡口切割整机的成本约为数控3D激光切割机的1/2。其维护成本则远低于3D激光切割机，一直以来令人生畏的光路调整维护、3D切割头保养维护都一概省略。这一技术方案为中薄板坡口切割提供了一整套完整的从激光坡口切割数控器、坡口切割机械手，到柔性光路激光器及其水冷系统的实用工作方案，对光纤类激光的特殊控制、激光器与工艺控制的配合、柔性光路与机械坡口切割头的集成、光纤类激光与激光割炬的配合、乃至配用光纤类激光的冷却方案和选型，都给出了较周全的技术考虑和实用答案。2100433B

它要求在一个完整的工件切割中，切割高度、刀缝补偿、刀口偏锋补偿、进给速度、拐角过渡都要随坡口角度的变化而同步实时调整，以实现正确的切割尺寸、坡口角度，和满意的表面质量。图示1为一例典型的坡口切割工件。

目前真正商业化的坡口数控切割产品多为国外技术，例如德国的Esab（伊萨），Messer（梅萨），澳洲的Farley（法利莱），Trivers（竞孚），日本的Koike（小池）等。这些技术采用的切割刀具多为氧焰（主要用于精度要求不高的厚板）、等离子（主要用于精度要求较高的中板）。对于精度要求很高的精密中薄板坡口切割，激光有着不可取代的优势。

但是长久以来激光用于板材的坡口切割一直是一项空白。绝大部分国际上的3D激光切割机主要用于薄板的三维路径切割，由于3D光路的技术复杂性、功率局限和价格因素，3D激光头无法在中薄板坡口切割上普及。

在2010北京埃森国际焊割设备展会上，如冈自动化控制技术（上海）有限公司采用其澳洲母公司Trivers的TNC2000LA激光坡口切割专用数控器，首次推出了基于光纤激光或光纤传导激光的数控坡口切割概念机（见图2），为中薄板精密坡口切割提供了一个高性价比和实用可靠的技术方案。

1.行星式管子切割坡口机（PESF）

2.外卡式液压切割坡口机（PHSF/PPSF/PDSF）

⑴ 切割质量好

①激光切割切口细窄，切缝两边平行并且与表面垂直，切割零件的尺寸精度可达±0.05mm。

② 切割表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序，无需机械加工，零部件可直接使用。

③ 材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切缝附近材料的性能也几乎不受影响，并且工件变形小，切割精度高，切缝的几何形状好，切缝横截面形状呈现较为规则的长方形。激光切割、氧乙炔切割和等离子切割方法的比较见表1，切割材料为6.2mm厚的低碳钢板。

⑵ 切割效率高

由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个切割过程可以全部实现数控。操作时，只需改变数控程序，就可适用不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三维切割。

⑶ 切割速度快

用功率为1200W的激光切割2mm厚的低碳钢板，切割速度可达600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯树脂板，切割速度可达1200cm/min。材料在激光切割时不需要装夹固定。

⑷ 非接触式切割

激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损。加工不同形状的零件，不需要更换“刀具”，只需改变激光器的输出参数。激光切割过程噪声低，振动小，无污染。

⑸ 切割材料的种类多

与氧乙炔切割和等离子切割比较，激光切割材料的种类多，包括金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。但是对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性。采用CO2激光器，各种材料的激光切割性能见表2。

缺点

激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割厚度较低的板材和管材，工件厚度的增加，切割速度明显下降。

激光切割设备费用高，一次性投资大。

激光切割的应用范围

大多数激光切割机都由数控程序进行控制操作或做成切割机器人。激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括薄金属板的二维切割或三维切割。

在汽车制造领域，小汽车顶窗等空间曲线的切割技术都已经获得广泛应用。德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。在航空航天领域，用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。

激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。如氮化硅、陶瓷、石英等；柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等。

处于其焦点处的工件受到高功率密度的激光光斑照射，会产生10000°C以上的局部高温，使工件瞬间汽化，再配合辅助切割气体将汽化的金属吹走，从而将工件切穿成一个很小的孔，随着数控机床的移动，无数个小孔连接起来就成了要切的外形。由于激光切割的频率非常高，所以每个小孔连接处非常光滑，切割出来的产品光洁度很高。