EuroBLECH 2016上的激光创新技术

在2016年10月25-29日于德国汉诺威举行的第 24届国际金属板材加工技术展 （EuroBLECH 2016）上，形形色色应用于钣金加工的激光新设备、新技术和新工艺依然成为展会独特的风景线之一。本期中，将摘选小部分亮点，看看这些颇具创新理念的激光技术和产品是如何为钣金加工增添羽翼的。

海外学术机构的革新解决方案

● 动态光束整形提高金属激光熔化切割质量

近年来，由于光纤和碟片激光器的切割速率显著提升，已奠定了其作为切割金属薄板的激光光源的领先地位。如今，对于板件厚度超过5mm的材料，尤其是钢材，切割优化的需求应运而生。然而，与基于CO2激光器的传统钢材切割系统相比，固态激光器通常会增加表面粗糙度及形成毛刺。

德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所(Fraunhofer IWS)正致力于寻找一种优化激光束熔化切割工艺的创新解决方案，以提高切割质量。在EuroBLECH 2016上，IWS的科学家提出了一种通过动态光束整形手段来切割金属厚板的新方法。其基本理念是通过修改空间和时间的能量沉积，使高强度聚焦及吸收性增加等优势能同时保留。

为此，一款标准切割头与高性能扫描器系统结合使用。专门设计的控制解决方案能够在千赫兹范围内对扫描系统的自由定义功能进行编程。多重自由度使其能够灵活调节激光束的振荡，并为激光功率、进料速率、焦平面和气体压力等常规切割参数创造更多可能性。

不同于标准切割机那样要求光束的焦距具备物理适应性，IWS的这项研发成果表明：薄型和厚型金属板件均能实现非常好的激光切割性能，以及相同的焦距。同时，新的过程集成传感器系统还能够实现切割工艺的定制优化。

● 激光加工超高强度钢 助力汽车轻量化目标

另外，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）展示了激光辅助加工技术是如何显著降低汽车零部件和成品的最终重量。轻量化理念已成为当今生产技术不可或缺的一部分。汽车工业在车身结构中使用抗拉强度高达2000Mpa的压力硬化和超高强度钢，以减轻重量。为了加工这些苛刻的高性能材料，激光是理想的工艺手段。来自ILT的科学家携手其它工业合作伙伴共同推进了激光分离、激光焊接以及激光热处理等技术。

据ILT称，尽管激光切割和点焊技术是常用的分离和接合工艺，但这两种方法都可能产生对部件性能不利的冶金效应。在切割过程中，切割边缘的边缘区会发生硬化；而点焊工艺则在焊缝周围形成热影响区，以显著减少硬化作用。鉴于此, 通过在切削区域和接合区域中采用激光热处理，可以抵消这种弱化作用。调节后的材料硬度和延展性依据其拉伸塑性可局部增加10％至15％。

ILT方面解释道：“出于经济原因，将单个工艺步骤整合在一个工具体系中是合情合理的。”这也成为由德国联邦教育和研究部发起的合作项目KLASSE的契机。该项目正由Fraunhofer ILT联手来自汽车工业和激光生产厂家的合作伙伴着手进行中。

组合式激光头能够同时执行激光切割、激光焊接以及激光增材制造等加工任务。（图：Fraunhofer ILT）

截止目前，KLASSE项目已经开发出一款由组合式激光光源（用于热处理的半导体激光器以及用于切割的光纤激光器）打造的组合激光加工头, 用于车身部件的加工。该加工头将切割和焊接两个工艺集成在一台机器中，省去了重新装配的工艺。同时，一款粉末喷嘴与组合头集成，使其能够通过激光金属沉积执行增材制造作业。这一集成方案将设置时间降到最低，并使生产过程变得更高效、更灵活。组合加工头还可切割复合材料，比如在车身制造中愈发流行的碳纤维增强部件等。

其它创新激光产品

在EuroBL ECH 2016设立的在线评选活动—— “ 新一代钣金加工（The New Generation of Sheet Metalworking）” 大赛上，来自德国的初创公司WSoptics以其创新性的WSweld激光焊接解决方案获此殊荣，该技术的最大亮点在于可瞬间完成从激光焊接机与激光切割机功能之间的灵活切换。

同时，其激光焊接头TC08也与通快一系列激光切割机相兼容。这款激光焊接解决方案的显著亮点包括：加工头的更换意味着技术的革新；两种工艺能够实现热传导和深熔焊接；与传统激光焊接机相比，投资显著降低；使用现有的高质量CO2激光器；即插即用—机器可于10分钟内在激光切割和焊接之间切换；模块化加工台能够使夹具安装与机器的生产时间平行、易于使用的3D软件自动生成机器程序。

在增材制造领域，葡萄牙机床制造商Adira展示了全球首个大型平铺激光熔融（TiledLaserMelting）金属3D打印机。这款拥有最大的金属粉末处理区域3D打印机通过将粉末床熔融、直接金属沉积3D打印技术，以及金属板材激光切割结合在一台机器上，从而为众多新应用铺平了道路。

百超新款的切割头通过精准地光束聚焦来配对各种材质和板材厚度。

系统配有可互换的刀头，可在不同应用间切换，包括激光切割。切换后，使用相同的构建平台，使生产变得高效和集中。最终用户可以选择通过激光切割对金属板件做消减处理，或利用光增材制造技术对其进行修复、形状修改甚至3D处理等。

这台3D打印机灵活克服了通常会面临的形状和加工限制等挑战，因而在提升用户制造通用性方面实现了突破。这也是Adira所说的新工业革命4.0，他们计划实施类似的概念 - 包括监测机器要求和集成遥测系统，允许自主状态跟踪和物联网集成。

此外，在EuroBlech 2016展上，瑞士百超（Bystronic)公司展出一款10 kW超高功率的光纤激光切割系统Bystronic ByStar，从而为激光切割设立了新标杆。全新的10kW功率将切割过程提速到一个叹为观止的境界。

这款激光切割设备能够高速切割30mm厚的铝和不锈钢、25mm厚的低碳钢、15mm厚的黄铜以及12mm的铜。同时，它也可对15mm厚的低碳钢进行平整光洁的净切割，这对于要求其零部件边缘实现“无氧化”效果的用户而言是非常有优势的。

据百超公司表示，与工业标准型4kW的光纤激光器相比，10kW的激光光源将切割速度大幅提升了4倍之多。具体来说，厚度介于3至12mm的材料能够展示出最大的切割速度优势。

然而，仅仅提升切割速度还是不足以完成目标。为了保持连续工作下的切割品质，强大的光束必须以最佳的方式聚集并应用到切割进程中。因此，除了10kW的功率提升，ByStar Fiber系列还在切割头上做了强化升级。这款新型激光切割头是由瑞士百超自主设计研发的。

WSweld可瞬间完成从激光焊接机与激光切割机功能之间的灵活切换

ByStar Fiber能够切割各种厚度的板材，其材质包括不锈钢、铝、有色金属、碳钢及贵重材质。为了使得在宽泛的材质范围中还能持续地达到最佳切割品质，切割过程中的切割头需要根据材质及切割工序的特点来做出灵活的标准。当然这一切都是自动完成，无须任何操作者的介入和干预。为了实现这个目的，百超在新款切割头上还配备了焦点控制功能。

这一新近研发的功能可以调整光束。根据钣金的厚度和材质，焦点控制功能可以高精度地调整光斑。从而使得ByStar Fiber能持续不断地以优化后的切割品质来加工多种材料的厚度及材质，且都能达到“惊人的速度” 。