三维激光加工技术的应用

三维激光加工技术是激光智能化加工的趋势，它结合新一代光纤激光技术和各类六轴或七轴机器人技术，实现了三维空间高速且高精度的切割和焊接加工。据有关资料统计，在欧美工业发达国家的生产制造业中，有 50%-70% 的零部件均采用三维激光加工技术进行加工制作。

三维激光加工设备一直被国外厂家垄断，尽管产品过硬，高昂的销售价格和后期维护成本始终让国内工厂望而却步。面对全球三维激光设备庞大的市场需求，大族松谷激光投入重兵重金积极研发，并取得了突破性进展，截至目前， 高效率、高精度、多功能和高适应性的大族松谷三维机器人光纤激光切割系列和焊接系列已批量推向全球市场。大族松谷激光智能加工设备能对不同厚度的金属板材进行多角度、多方位柔性智能化加工，满足了航空航天、汽车轮船、机械制造、电梯制造、广告制作、家用电器制造、医疗器械、五金、 装饰、金属对外加工服务等各种制造行业的金属切割和焊接需求。其中，汽车生产制造业是三维激光切割和焊接技术应用最为广泛的领域之一。

一、三维激光切割技术

三维激光切割加工范围广，适用于对不锈钢、碳钢、合金钢、硅钢、镀锌钢板、镍钛合金、铬镍铁合金、铝、铝合金、 钛合金、铜等金属材料的切割加工，覆盖整个金属材料工业应用领域，被广泛使用在模具试制，成型件小批量生产方面。在无模化加工，各项消耗成本，快速响应市场，智能化生产和安全环保等方面都更具优势。

1、无模化加工

在产品改制和冲压模具改型的过程中，将原有模具进行拉深后，利用三维激光切割技术加工孔位和切边，极大地缩短了试模周期。目前三维激光切割有取代修边模、冲孔模的趋势。如在汽车轻量化过程中，较薄的高强度钢板被使用， 特别是对于强度高达 1500 MPa 的钢板，由于强度较高，在加工这些高硬度的材料时，传统设备的冲模或者刀具的使用寿命会大大缩短，而激光切割就不必考虑这些问题。此外像汽车零部件中的非平面零件都需要采用三维激光切割来完成，非三维的平面切割方式无法做到。

在三维加工方面，大族松谷激光研发的 HyRobot C20 三维机器人光纤激光切割系列代替了传统昂贵的五轴机床实现了三维立体激光切割，采用高精度的 Staubli 机器人， 全铝合金手臂，重量轻，独特的吊装配重装置工作范围大， 保证任何姿态下都能加工。机器人机械臂展达 2.01m，切割台面宽度可以达 2m，超过昂贵的六轴机床工作台宽度，一般尺寸的成型件可在切割工作台工作区域内加工，有些大工型钣金成型件也可以通过移动平台来实现。不仅缩短了样品生产及安装周期，提高了更换产品的灵活性，同时也满足了汽车非平面零部件机盖、后盖箱、水箱架、保险杠、叶子板、车门等钣金覆盖件和元宝梁、控制臂、后桥等底盘件的三维切割、修边以及冲孔等需求。

2、各项消耗成本更低

相比传统的三维切割系统，采用三维工业机器人与光纤激光切割器的组合，大大降低了三维切割系统的成本造价， 减少了系统的占地面积；光纤激光器采用半导体模块化和冗余设计，谐振腔内无光学镜片，不需要启动时间，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，降低了配件成本和维护的时间；同时，光纤激光的电光转化效率高，转换效率达 25％ 以上，是同等功率 CO2 激光器的 2-3 倍，产生的加工废料更少，在金属板材的切割过程中优势尤为突出，降低了整个加工时间成本，提高了生产效率。

光纤激光是目前最新的激光技术之一，在激光器方面，大族松谷的 HyRobot C20 三维机器人光纤激光切割机采用了德国原装进口光纤激光器，它具有散热面积大、光束质量好、 体积小巧等优点，相比传统激光，光纤激光具有更好的切割质量， 更低的系统造价，更长的使用寿命和更低的维护费用，更低的耗电。同时，搭载德国原装智能随动三维激光切割头，避免用户对熟练操作人员的过分依赖，减少了人力成本的支出。

3、快速响应市场

厂家开发模具的成本高昂，加之如今消费强调个性化， 产品更新换代周期逐渐变短，原来的模具化生产由于自身的局限——制作模具周期很长，已难以适应越来越快的产品更替。 在快速响应市场需求上，无疑利用三维激光切割、无模化的快速加工技术将赢得了巨大的竞争优势。

4、智能自动化生产

先进三维机器人光纤激光切割与自动控制、网络控制技术及计算机生产辅助管理系统技术的完美融合，代表着最先进的激光切割水平。目前三维激光切割正向着激光切割单元无人化、自动化方向发展。大族松谷激光的 HyRobot C20 三维机器人光纤激光切割机内置自主研发的专业激光切割机控制系统，电脑操作，加之内嵌了庞大工艺数据库，使用方便， 更加智能，有效的降低了使用难度。加工路径由程序控制， 如果加工对象发生变化，只须修改程序即可。同时配置界面友好的智能化手持操作终端，完全符合人机工程学的设计，全方位降低操作难度。

配备远程智能监控系统，使得 HyRobot C20 三维机器人光纤激光切割机显得更加智能，更加强大，它可通过移动端、 PC 端对设备的运行状态进行实时监控；支持光路自适应系统； 支持镜片自动检测；支持远程协助处理设备故障功能；可最大限度地降低设备的故障率，降低设备的维修维护成本，提高设备的持续稳定性。用户通过专业的数字控制系统，可以组织较大数量的三维激光切割单元（FMC）组成自动化生产线，真正实现对加工作业现场智能自动化和无人化的生产及管理。

5、安全环保

光纤激光切割的电光转换效率高 , 加工废料少，噪音低，清洁、安全、无污染，大大改善了工作环境，更节能环保。 大族松谷 HyRobot C20 三维机器人光纤激光切割机设计的全包围外防护装置，采用安全联锁设计，有效隔离加工区， 避免激光的辐射伤害，完全满足最严苛的欧洲激光设备安全设计标准，最大限度地保障了设备操作者的人身安全。 再配上烟尘自动收集系统更加环保，真正实现安全与环保的双重防护。

二、三维激光焊接技术

相比传统焊接方式相比，激光焊接焊缝深宽比大，效率更高，无需增材，更为经济，而且焊缝材料一致性高， 焊接质量强度高。

如今三维机器人与光纤激光焊接组合的方式在工业制造上的应用相当广泛，在高端制造领域尤为突出。三维激光焊接具有稳定高质量、焊接速度快、多工位协作和安全性高等特点。

1、稳定高质量的焊接

焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度和干伸长量等对焊接结果有着决定作用。采用三维机器人焊接时，每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人为因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量稳定。 而传统的人工焊接方式，焊接速度、焊丝的干伸长量等都是变化的，很难做到质量的均一性。大族松谷激光 HyRobot W20 三维机器人光纤激光焊接机采用的是 Staubli 工业机器人，它定位精度高，加工稳定性高、范围大，六轴联动， 轻松实现三维件的焊接。

与相比传统焊接方式相比，光纤激光焊接不需要焊丝， 焊缝的形式和焊缝的长度可以自行定制，不改变材料的特性。大族松谷 HyRobot W20 三维机器人光纤激光焊接机配以激光器行业龙头美国 IPG 公司的原装进口激光器，使得优势更加明显，焊接更稳定，质量更高，整体外观更平滑美观，材料不产生翘曲。

2、焊接速度更快

光纤激光焊接的优势之一就是热能集中，热影响区小。相比单焦点焊接，激光振镜扫描焊接 (Laser Scanner Welding) 则提供了更高的焊接效率、更大的柔性以及更好经济性，特别是对于某些部件需要很多短的搭接焊缝时更是如此。此类焊接头能够利用扫描振镜将激光束定位在工件表面，两片高速的扫描镜片和一个直线轴来完成精确的定位， 并且移动激光束的焦点，在 3D 空间 200×300×200mm3 范围内进行快速焊接。可实现多种三维成型件之间的搭焊、叠焊、点焊。同时控制软件能使用户远程处理激光焊接进程。 例如：编辑加工序列、编辑加工要求、焊缝形状、焊接速度、 激光功率、激光能量坡度等，及时观察和优化激光状态，编辑同步点和优化加工路径。

特别是利用工业机器人搭载扫描振镜，极大减少了焊接头的移动定位时间，提高焊接效率。扫描振镜与工件表面距离大，简化了工装治具结构。配备自动变位机组成多工位的焊接工作站，柔性更强，效率更高。

对未来车身结构的研究表明，扫描焊接系统相对于电阻点焊来说，可以降低30%的投资成本，减少50%的加工区域， 缩短 60% 的加工时间。加之机器人可以 24 小时连续作业，采用高速高效三维激光焊接技术进行焊接，加工效率提高得更为明显。

3、多工位协同作业

针对单个三维激光焊接不能满足生产的问题，还可设计三维光纤激光焊接多工位协同作业，配备自动变位机组成多工位的焊接工作站，轮流上下料，柔性更强，生产效率更高。 通过修改程序以适应不同工件的生产，从而实现小批量产品的焊接自动化。

4、安全性更高

焊接会产生焊接弧光、炯雾和飞溅等，危害工人健康或安全，而大族松谷激光 HyRobot W20 三维机器人光纤激光焊接机配备手持终端机，操作简单，可以对机器人手臂进行远距离操控焊接，工人无需正面接触。对于点焊来说，工人无需搬运笨重的手工焊钳，使工人从高强度的体力劳动中解脱出来。同时，根据客户工况，设计合理的安全防护装置， 有效的防止了焊接过程中激光辐射对工人的伤害。

从行业发展现状来看，工业机器人和激光行业都处于一个快速发展的过程中。激光加工技术特别是切割和焊接与工业机器人的高柔性和高效率有很多相辅相成之处。工业机器人技术与激光加工工艺的融合，会创造出更多三维激光加工解决方案，推动激光加工应用向智能化、低成本化、 高柔性化发展，帮助企业降低成本，实现更大产能，获得更多的收益。

 

 

 

文 / 大族松谷 李正上