數控激光等離子切割一體機的研發與應用

白瑋 溫勁葦

1. 概述

在鈑金加工與制作領域，激光切割與等離子切割技術的應用非常廣泛。近幾年，隨著激光和等離子切割電源技術的快速發展及數控技術水平的不斷提升，光纖激光和精細等離子高質量切割加工設備的應用取得快速發展。當前板材的厚度、切割質量和切割設備的價格細分了鈑金加工制作的市場應用群體，特別是廣大中小企業用戶迫切需要金屬板材切割范圍寬、性價比高、多功能實用的數控激光等離子切割一體機設備。

2. 光纖激光切割應用特點

（1）激光切割 激光束通過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處產生局部高溫（達10 000 ℃以上），使加工材料的被加工點瞬時熔化或者汽化從而形成割縫， 同時用一定壓力的輔助氣體將割縫處的殘余熔渣吹除， 配合激光頭的運行軌跡最終達到切割加工的目的。

對光纖激光而言，所需能源大大減少——約為CO2激光器的三分之一。由于產生的熱量越少，冷卻器的體積就可以相應縮小。總之，在達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）光纖激光切割優缺點 目前光纖激光切割機的應用已遍布到各個金屬加工行業，特別適合6mm以下金屬材料的非接觸切割、鏤空和打孔加工。

其特點如下：

光纖激光切割機比較其他激光切割機的優點：首先是性價比較好的金屬激光切割機。它通過高質量、高密度的光纖傳輸，實現對工件的切割效果，它的光束直徑小，切割的縫隙小，光斑質量好，可用于精細切割加工；其次光纖加工的特點是加工柔性化程度高，無需對外光路反射鏡及激光氣體充氣等日常維護，這點是CO2激光切割機所沒有的優勢；同時它的光電轉化率高達25%以上（CO2激光切割機的光電轉化率為8%～10%），耗電少，可以減少企業的加工成本；在5mm以下的薄板金屬切割中優勢顯著。

光纖激光切割機的缺點：由于光纖激光器所發射波長及吸收率等特點，不能切割非金屬材料，在遇到切割金屬厚板材料時吸收率會下降，限制光纖激光切割機所切割金屬板材的厚度；激光切割相對等離子切割成本高，初期投入和后期維護需要較高的費用；目前，光纖激光在切割金屬薄板性價比較高，但在切割中厚板時效率低，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勢。另外，光纖激光切割機應用的高端核心技術的光纖激光器價格高，特別是千瓦級以上的大功率光纖激光器售價昂貴，增加了設備投入和后續維護的成本。同時，由于光纖激光切割機的波長較短，在使用的過程中會對操作人員的眼睛有些傷害；不過做好防護措施，戴上專用防護眼鏡就沒多大問題了。

3. 等離子切割應用特點

（1）等離子切割 等離子切割機是一種應用廣泛的熱切割設備，其工作原理是通過空氣壓縮氣體利用高溫在噴嘴處噴射出來的高速氣流離子化，從而形成導電體。當電流通過時，該導點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），并借助高速等離子氣流的動力排除熔融金屬以形成切口的一種加工方法。利用環形氣流技術形成的細長并穩定的等離子電弧，保證了能夠平穩且經濟地切割任何導電的金屬材料。

（2）精細等離子切割優缺點 精細等離子割槍工藝技術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倍，由于引進了諸如旋轉磁場等技術，故在其電弧穩定性得以提高的同時，精細等離子切割配合不同的工作氣體可以進行高質量的金屬切割，尤其是對于有色金屬（不銹鋼、鋁、銅、鈦、鎳）切割效果更佳；其主要優點適于切割厚度3～30mm的金屬，特別是在切割普通3mm碳素鋼薄板時，速度可達10m/min、切割面光潔、熱變形小、幾乎沒有熱影響區。目前隨著大功率精細等離子切割技術的成熟，已使切割質量接近激光切割精度的下限(±0.2mm)。由于激光切割機價格昂貴，所以目前只適合于薄板切割(通常厚板打孔時間長)，而精細等離子切割機切割精度和效果接近激光切割的水平，切割表面質量近似，但切割成本遠低于激光切割，約為其 1/3。因此，對常規質量切割的要求，6～30mm的中厚金屬板材使用精細等離子切割機來取代價格昂貴的激光切割機是最經濟的加工方式選擇。

等離子切割的缺點：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，使用精細等離子切割雖可大大改善，但效果不如激光好。對切割要求精度較高（±0.2mm以下）的情況下，等離子切割較困難。普通等離子切割產生較多的割渣，為不影響后工序的質量，此割渣必須通過修磨去掉，也增加了人工成本；使用精細等離子切割會改善很多。等離子切割的原理決定了在切割過程中會產生有害的粉塵和弧光，可采用注水或水下等離子切割來避免此缺陷。數控系統易受到等離子電源的引弧干擾，對數控系統電磁兼容抗干擾的屏蔽技術要求較高。

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量切割方面具有顯著的優勢；精細等離子在金屬中厚板材的切割中，無論在設備投入成本還是在加工費用等方面具有顯著的優勢。

4. 數控激光等離子切割一體機的應用與研發

通過上述從多方面闡述了激光、等離子特別是光纖激光切割、精細等離子切割各自的優勢和不足，為研制數控激光等離子切割一體機提供了很好的市場應用和技術開發的背景。

（1）數控激光等離子切割一體機 數控激光等離子切割一體機在技術開發方面二者優勢互補，既體現了光纖激光切割金屬薄板高精度的優勢，又注重了精細等離子切割金屬中厚板材的類激光加工效果。實現了通過在單臺設備上可以進行金屬薄、中、厚板材的多規格、多品種，以及不同質量要求的高精度、高精細的效果切割。

數控激光等離子切割一體機設備分別進行激光、等離子切割過程中，采用組合切割機頭的運行方式，可共用一套機械傳動系統和工作臺，一套CNC電氣數控系統和切割加工及套料軟件等，使得設備制造成本大幅降低。

（2）數控激光等離子切割一體機研制的技術路線 在具體研發環節方面，著重解決以下一些技術問題：

第一，一體機數控系統的電磁兼容問題。根據激光、等離子激勵能源和各自特點，能源激勵方式采用高頻、高壓、大電流的驅動電源，對設備的數控系統和微機系統會產生強烈的電磁干擾。針對這一技術難題，在數控系統的研制過程中，系統設計主要思路是：采用目前國際先進的數控PLC模塊為數控系統的核心并配置有關的軟硬件系統。需要傳輸的信號必須經過數字濾波處理；硬件電路的設計必須加入電磁兼容環節并經過相應干擾環境的檢驗來驗證具有很好的抗干擾性能；設備用交流電源輸入端口安裝工頻電網凈化處理裝置來屏蔽干擾源等。這些措施有效地解決了設備電磁干擾的技術問題。

第二，一體機數控系統工藝庫的建立。無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，如：切割激勵源激光功率或等離子電流、切割噴射頭與工件相對位置、配置和輔助氣體壓力、切割速度、穿孔次數、彎角變化參數等。首先，這些切割的工藝參數必須通過數控系統根據切割板材的材質、厚度自動選擇切割方式和相關的工藝參數配置。因此，選擇的數控系統首先必須能夠擴充開放的用戶編程和數據庫容量；其次，編程語言必須與外部控制部件通信兼容。

目前，經過多年的研發經驗，在已有的激光切割和等離子切割相互獨立數控切割工藝數據庫的基礎上，建立了激光等離子切割一體化的數控加工工藝數據庫。實際應用，效果良好。

第三，一體機托料工作臺的設計。對于鈑金加工制作中小企業廠房空間有限，很多不具備橫跨空間的吊裝起重設備。針對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，一體機托料工作臺的設計為導軌移動式。這種設計方式既方便人工裝卸金屬薄板，也可使用簡易吊裝起重裝置完成中厚金屬板材切割的上下料。相比龍門橫梁導軌結構節省設備占地面積，相比交互式上下料工作臺節省了設備成本，如圖1所示。

第四，一體機應用效果。采用500W國產光纖激光器，120A進口精細等離子電源；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；一體機切割頭空程最大運行速度為12m/min；切割效果如圖2、圖3所示。

（3）數控激光等離子切割一體機研發的不斷完善 一體機設備在研發中亟待解決的問題和使用方面的一些不足：第一，共用一套數控系統，需要進一步解決激光和等離子加工方式和工藝技術參數的共享與區分。第二，由于等離子切割過程的粉塵較大，除采用注水拖料臺、加強除塵風力外，還需要對激光頭相關外露的精密零部件加以防護。第三，對大批量，多規格厚度的金屬板材，使用單臺數控激光等離子切割一體機設備的切割加工效率受到影響。

圖1

總之，數控激光等離子切割一體機設備研發的目的是在廣闊的鈑金加工與制作市場領域尋找出部分需求用戶的群體，實現產品的市場應用。為企業和社會創造良好的經濟效益和社會效益。整機設備外觀如圖4所示。

圖2 激光切割效果

圖3 等離子切割效果

圖4

5. 結語

21世紀我國的數控切割行業面臨各種新的挑戰，國際市場競爭更加激烈。我們應瞄準世界先進水平，找準產品的市場需求定位，引領國內同行業技術水平的普遍提高，帶動行業廠家轉變經營理念，只有這樣企業才能在激烈的市場競爭中立于不敗，并謀求壯大、發展。另外，在不斷開發研制新產品的同時，還要在加強技術創新、科研開發和質量管理上下功夫，使我國數控切割行業迅速達到世界先進水平，從而在振興民族工業，提高我國的綜合國力的同時，實現企業自身產業的規模化、國際化。

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