中国首台100千瓦超高功率激光器正式启用!

发布时间:2022-09-27 11:29:29 来源:升博体育下载地址 作者:升博体育官方网站

  12月10日,中国首台100kW超高功率激光器在湖南衡阳正式启用。该激光器由南华大学与锐科激光等单位联合研制,是中国目前最大功率的工业光纤激光器,也是全球第二大功率的工业激光器。它打破了国外技术垄断的局面,大大提升了我国大型装备制造水平。该设备将主要应用于管道的厚管焊接、放射环境下的退役拆除、核污染器件的表面去污、高放废液的玻璃固化处理等高端应用。

  激光用于工业制造是一项伟大的发明,激光被称为“最快的刀” ,可媲美核能、计算机和半导体。经过了几十年的发展,激光切割已从固体激光器、CO2激光器发展到光纤激光器。而且,光纤激光器功率级别逐渐提高,高功率光纤激光技术是行业同仁普遍认可的未来激光切割主流发展方向。今天主要围绕光纤激光加工技术原理及发展等几方面的问题来探讨一下。

  在工业生产中,激光切割占激光加工的70%以上,是激光加工行业中最重要的一项应用技术。

  激光切割机,是20世纪末21世纪初,新兴的一种板材加工机械设备。经过国内外近20年的不断技术更新和工艺发展,激光切割工艺以及激光切割机设备,正被广大板材加工企业所熟悉和接受,并以其加工效率高、加工精度高、切割断面质量好、可进行三维切割加工等诸多优势逐步取代等离子切割、水切割、火焰切割、数控冲床等传统板材加工手段。

  根据激光发生器的不同,目前市面上激光切割机大致可分为三种:YAG(固体)激光切割机、CO2激光切割机、光纤激光切割机三种。今天主要介绍光纤激光切割机。

  光纤激光切割机是通过光纤激光器输出高能量密度的激光束,并聚集在工件表面上,使工件上被超细焦点光斑照射的区域瞬间熔化和气化,通过数控机械系统移动光斑照射位置而实现自动切割。光纤激光器同体积庞大的气体激光器和固体激光器相比具有明显的优势,已逐渐发展成为高精度激光加工、激光雷达系统、空间技术、激光医学等领域中的重要候选者。光纤激光切割机既可做平面切割,也可做斜角切割加工,且边缘整齐、平滑,适用于金属板等高精度的切割加工。比起普通二氧化碳切割机,激光切割机更节省空间和气体消耗量,光电转化率高,是节能环保的新产品。

  2.无污染噪声小。光纤激光切割机的工作效率非常快,自主工作能力比较高,在使用过程中不会造成任何污染和材料的浪费,也不会出现特别大的噪音,所以这对于工业环境来说会有很好的保护作用,避免对工作人员造成一些不必要的影响和伤害,在操作使用的时候全自动的操作效果特别好,带来更快的工作效率。

  3.能够达到非常高的精度。光纤激光切割机的精度非常高,热变形非常小,而且感应范围比较小,这就避免因为非机械接触加工所造成的伤害,所以在成本材料方面就能够得到合理的控制,避免在使用过程中出现各种不必要的影响,对于高硬度高脆性的材料都能够合理的进行切割,所以能够达到更好的加工以及使用效果。

  激光是由激光发生器释放出超强密度的激光束,通过光斑照射在金属板上,高温瞬间融化或者气化切割材料,再使用高压气体,将融化的熔融物和残渣吹掉,从而实现切缝,再通过X、Y、Z三轴联动,从而实现切割。

  激光是由电能转化为光能,因为能与能之间的转换不可能是百分百,所以在一部分电能转化成光能的同时,另一部分成了热能。

  目前光纤激光器的电光转换率是25%~35%。性能越好的激光器它的电光转换率比例也就越高。当然相对的,电光转换率的比例越大,能耗也就越小,电光转换率比例越低,它的能耗越大。

  激光是由电能转化为光能,因为能与能之间的转换不可能是百分百,所以在一部分电能转化成光能的同时,另一部分成了热能。(有能量就会有热量)当这一部分的热能产生后,会停留在激光器里面,就会损坏激光器里面的部件。

  当光纤激光发生器产生光,通过光纤来传输到我们的激光头上面,那么光纤在对接激光头的时候就会产生一定的能量流失,因为光的传播是有扩散性的,这种光也叫做散光,因为光与光之间具有相互排斥性,所以它们可以无限接近,但是却永远不会相交,它的外形就好比一个腰型。当它们被光纤头释放出来时,它们呈现出来的形状是波浪形的。

  波形光不利于收集和集中能量,所以需要准直镜,将波形光处理接近于平行的光,当然也不是绝对的平行光。

  聚焦镜的作用就是将已经处理成近乎平行的光收集并集中在一起,形成超强密度的光斑。

  当光纤激光切割机在使用的过程中,会产生一定的金属粉尘跟碎屑,有一部分的金属粉尘和碎屑。会进入到激光切割机的切割头当中,那么就需要保护镜片做到隔绝保护的作用。(保护镜片属于易耗品,平均每个月损坏1片,当然损耗的数量根据设备的使用强度和场景不同,数量也不同)。

  当激光通过保护镜片以后,再通过激光铜嘴释放出来。(跟保护镜片一样,激光铜嘴也属于易耗品,平均每个月要损坏2个,当然还是与镜片一样,损耗的数量根据设备的使用强度和场景不同,数量也不同)。

  高功率光纤激光技术是行业同仁普遍认可的未来激光切割主流发展方向。不论从市场竞争角度还是用户应用方向来看,高功率光纤激光技术的增长速度一年比一年强势。2016年之前,激光高功率切割市场是被2~6kW所占据,时至今日,12kW、15kW、20kW已经很普遍,甚至30~40kW激光切割器也逐渐增多,100kW也开始启用。高功率激光切割机之所以如此火爆,肯定有其优势。

  相较于较低功率的激光器,切割能力的提升有了质的飞越,使激光切割机的加工范围得到了巨大的提升。

  在选择激光切割设备的功率时,对不同材料的切割速度是考察的关键因素。光纤激光切割应用在中、低厚度的板材加工中优势显著,激光功率的提升能够让切割速度倍速提升,速度的提升带来的是光纤激光切割机经济效益的指数上升。

  可以明显看出,常见厚度的碳钢和不锈钢,20kW和12kW的切割效率明显优于6kW,切割速度提升50%~320%不等。材料厚度越小,由于功率过剩优势并不明显,厚度越大,优势越明显。

  除了切得更厚更快的优势外,随着激光器功率的上升,激光切割的工艺还能玩出更多的花样,比如当下备受好评的高速亮面切割技术。

  高功率高速亮面切割技术(HHB,High power,High speed,Bright surface),即在功率足够的情况下,利用小喷嘴、小气压,配合高功率激光高速切割不同厚度的碳钢板材,以此获得光滑的切割断面和更小的加工锥度。光滑的切面方便客户后续加工;同时锥度基本能够控制在双边0.2mm以下,在某些高精度要求的加工行业,更好的满足客户要求。

  三维五轴光纤激光切割机是集光、机、电、气一体化的高端机床装备,应用于汽车行业、模具行业、军工及航空航天行业、家用电器行业以及异型管材类切割,主要适用于曲面薄板类的金属切割,用于三维异形曲面的切孔和修边,可代替冲孔模和修边模。

  汽车冲压模具行业对切割精度要求较高,三维五轴光纤激光切割机床因其生产效率高、性能稳定等特点受到欢迎,但主要市场被国外设备所垄断。由于钢板强度太高,传统的修边模和冲孔模因钢板高强度问题无法进行修边和冲孔,只能使用激光进行生产,从而使三维五轴激光切割产品进入汽车批量生产线,成为不可替代的生产工艺及工序。随着越来越超高强度钢板被汽车行业广泛应用,使得三维五轴激光切割机产品得到更多的应用。

  据海外市场调研机构称,全球光纤激光切割机市场未来几年将以约7%~8%的CAGR增长,到2024 年将达到23.5亿美元。北美和欧洲地区对光纤激光切割机的需求将不断增长,从而推动市场对更先进的光纤激光切割机的需求。国内随着汽车轻量化发展,包括工程机械应用在内的新基建的兴起,以及高铁、核电、船舶、石油化工及航天航空等领域的高速发展,对激光切割加工装备和工艺技术提出了更高的需求,将继续带动以光纤激光切割机为代表的激光切割装备迎来新一轮的增长。

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