一、激光切割技术发展历程

激光技术是近几年发展迅猛的一门高科技技术,其中的激光切割技术更是被广泛应用于工业生产,可以切割金属、非金属、塑料、木材、玻璃等材料,其加工领域广泛,并且切割成本低、效率高、加工工件质量好。

我国激光切割发展大致经历以下几个阶段:

图表 1:中国激光切割技术发展历程

行业探索期(1957-1961年):在爱因斯坦提出激光理论的40年后,1957年我国科学家在长春建立了国内第一所光学专业研究所——中国科学院(长春)光学精密仪器机械研究所(简称“光机所”),在老一辈专家带领下,一批青年科技工作者迅速成长,短时间内凝聚了富有创新精神的中青年研究队伍,提出了大量提高光源亮度、单位色性、相干性的设想和实验方案。随着1960年世界第一台激光器的问世,我国激光器的研发也开始提速,并于1961年成功研制我国第一台红宝石激光器,1965年研制成第一台二氧化碳激光器。

行业起步期(1965-1978年):在我国研制出第一台二氧化碳激光器后的短短几年内,国内激光技术迅速发展,在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术(如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等)纷纷提出并获得实施,其中不少具有独创性,并开始逐步将激光用于材料切割领域。

高速发展期(1978-现在):改革开放以来,激光切割技术获得了空前发展的机遇,激光科技事业取得了前所未有的进步,涌现出一批国际先进水平的成果,激光切割技术基本做到了在我国材料加工领域全覆盖。

二、激光切割原理及切割头

激光切割是将激光器发射的高强度的激光集中在一起,然后照射在加工材料(工件)表面,在照射的过程中,激光的光能迅速转化成热能,使得材料照射区里的温度迅速达到材料(工件)的熔点乃至沸点,材料(工件)在高温作用下被融化乃至气化,这时再利用辅助气体将融化的残渣吹开,冷却形成小洞;在数控系统的引导下,随着工件与激光的不断相对运动,两者之间不断作用,不断吹除融化残渣,使孔洞连续形成宽度很窄的切缝,从而达到切割材料的目的。

图表 2:激光切割工作原理

与传统的切割方式相比,激光切割具有精度良率高,速度快,操作简单,生产成本低等明显优势。传统机械切割主要包括线切割、氧气乙炔割炬切割和等离子切割等特种加工方法,但这些方法均适用范围有限,例如线切割利用电火花穿孔进行加工,仅可加工导电与半导电材料,而激光切割可加工任何金属与非金属材料,伴随着激光技术发展,更小的激光光束斑点直径能带来更好的切后表面粗糙度,同时加工过程不会产生过多的热影响和材料变形效果,无需进行二次加工。

在激光切割过程中,激光切割头将激光器生成的发散光聚焦到材料表面,材料吸收激光能量熔融后,切割辅助气体把熔融金属排出,实现加工材料的切割分离,是激光切割设备的重要组成部分。激光切割头的组成部分主要包括光纤连接块、准直组件、聚焦组件、保护镜盒、传感器及控制盒、割嘴等。

图表 3:激光切割头结构

光纤连接块是光纤导入切割头的接口部分,常见的接口有QBII接口、QD接口等;准直组件主要承担将出自光纤的发散光收敛起来,将其拉直或准直的作用;聚焦组件将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缝隙也越小,从而达到高精度高速度的切割效果;保护镜盒用于将外界与切割头内部光路隔绝,保证光路密封,防止灰尘和杂质进入光路,延长激光切割头的使用寿命;传感器及控制盒传感器相当于人体的大脑,它能感应、控制设备的切割动作,感觉切割头与工件表面的距离,感应切割头与工件边缘的距离等等;割嘴是距离被切割工件最近的零部件,在切割过程中,喷嘴会在切割面形成气场,将切割过程中产生的熔渣吹走,防止激光头被异物污染。

三、激光切割头行业概述

与国外发达国家激光切割技术相比,我国的激光切割技术仍存在差距。在产业方面,一些中、高档激光产品及其材料、元器件仍然停留在开发阶段,或尚未形成规模,高档、高智能、高自动化的激光产品比较缺乏。

目前激光切割头市场主要由德国普雷茨特、美国贰陆集团、恩耐等国外企业掌控,国内激光切割设备虽然具自主研发及生产切割头等核心部件的能力,但在销售产品中应用比例相对较低。

图表 4:激光切割头市场主要竞争者

以国内激光切割设备龙头企业宏石激光为例,公司虽然生产激光切割头产品,但公司仍需向国外厂家采购激光切割头产品。2020年,宏石激光对普雷茨特精密技术(上海)有限公司的采购金额高达2,783．75万元,位列2020年度公司供应商第五位。

图表 5:2020年度宏石激光前五供应商情况

四、激光切割头行业发展趋势

随着激光切割机的日益发展,切割头的重要性越来越凸显。近年来自动调焦切割头的应用越来越广泛,切割头龙头企业纷纷推出调焦与变焦相结合的切割头。其中德国Precitec的Procutter系列产品采用准直镜调焦,该系列的自动调焦切割头颇受激光切割机制造商和客户青睐;其中贰陆集团推出的BIMOFSC-MZ系列可独立设置焦点位置和焦点直径,其焦点位置可在+10～-30mm调节,放大倍数在1．2～3．2之间,在厚板切割中发挥重要作用,尤其是切割厚铝板或不锈钢厚板,切割断面得到保证。