破除认知误区，高功率激光切割要“按需选择”

传统大型制造作业长期依赖氧燃料切割和等离子切割这两种热切割工艺，数十年来它们一直主导着板材加工领域。虽然这种主导地位短期内不会改变，但超高功率激光切割技术正强势崛起，开始加工超大型和超厚板材。

 

“制造商仍需根据具体应用选择合适工艺，”Tecoi美国公司业务发展总监Carlos Rodriguez指出，“当前市场存在一个认知误区——由于激光功率大幅提升，有人认为，仅需一台激光设备就能取代多台等离子和氧燃料切割机。然而，实际情况远非如此。”

 

 

位于美国德克萨斯州朗维尤市的Tecoi公司，专精于各类大型热切割设备制造，涵盖氧燃料切割、等离子切割及激光切割工艺。本期内容，就超大型板材切割趋势与Rodriguez进行了深度访谈。

 

制造商在优化大型板材切割流程时，需要考虑三大关键因素。第一，零件轮廓及孔洞切口等边缘质量要求；第二，加工厚度范围；第三，包含物料搬运和后续工序在内的真实切割成本。

 

 

激光功率的革命性突破
有些制造商认为，一台高功率全自动激光切割机可取代多台等离子切割系统。虽然氧燃料切割仍在超厚板材加工领域占据主导地位——毕竟龙门架上成排的氧燃料割炬的效率优势难以撼动。

 

但部分加工企业已开始重新评估，特别是针对0.5-1英寸（12.7-25.4mm）厚度板材的批量加工。Rodriguez指出，三大技术突破正引发行业关注：首先是超强1微米波长激光器在光束特性与辅助气体技术上的进步。不久前，光纤激光器还完全不被视为CO2激光器的替代方案，但近年来不断提升的激光功率正逐步改变市场格局。

 

Tecoi公司展会现场照片

 

随着激光功率突破24kW大关，制造商正见证生产效率的显著提升。新型辅助气体技术——包括氮氧混合气体——大幅改善了厚板切割的边缘质量。惰性氮气有效清除切缝熔渣，而精确配比并均匀分布的氧气则为切割过程提供“活性助推”，最大限度减少熔渣残留。

 

部分企业还采用干燥压缩空气（氮氧混合气体）作为辅助气体，纯氮气则能实现无氧化切边。Rodriguez强调，如今的厚板激光切割拥有前所未有的灵活性和多样化选择。

 

当这些技术与可形成宽切缝的高功率光束相结合时，就能实现厚板材的洁净稳定切割。专为切割设计的固态1微米波长激光器中，传输光纤将光束导入激光切割头，经准直镜和聚焦镜组处理。光束整形技术、传输光纤及操控系统的进步，使得光束轮廓可精准调控，从而更高效地进行厚板切割。

 

 

激光切割创新解决方案
Tecoi公司采用双光纤传输系统（细径光纤与粗径光纤组合）。切割薄板时，系统全程使用细径光纤完成穿孔和切割；处理厚板时，则采用细径光纤穿孔、粗径光纤切割的复合工艺。

 

采用单激光源功率分配技术的双头激光切割系统（集成坡口加工功能）

 

“细径光纤穿孔厚板时能实现更高的功率密度，”Rodriguez解释道，“而在切割阶段切换为粗径光纤，可完美适配厚板加工需求。”

 

现代切割头设计更注重应对重型板材加工的严苛环境。观察激光设备作业时会发现，新一代切割头采用修长流线型设计。这种结构能最大限度使光学元件远离切割区的金属飞溅——随着高功率激光加工的板材厚度不断增加，这种防护需求变得愈发重要。

 

 

减少二次加工
纤薄型切割头为激光斜切技术——这项原本等离子切割的专属工艺——提供了施展空间。Rodriguez指出，当切割头倾斜角度达50度时，加工厚度会相应增加，因此激光斜切目前通常限于1英寸（25.4mm）及以下板材。

 

这种斜切能力可加工沉头孔、带平台Y型坡口及多种复杂坡口形状。以K型坡口为例（在板材厚度中部保留垂直平台），需要三道工序：底部坡口、中部平台和顶部坡口的依次加工。

 

这台多功能激光切割机配备两个可坡口加工的激光切割头，以及一个集成六组钻攻刀具的独立加工头

 

虽然复杂坡口确实需要多次切割会降低效率，但Rodriguez强调，传统的“英寸/分钟”等切割指标无法体现最大优势——完全省去二次加工。诚然，对比等离子与高功率激光切割，激光优势明显。但在超厚板材（1英寸/25.4mm以上）加工时，速度提升并不显著。不过若能一次性完成坡口加工，免除后续打磨或机加工工序，高功率激光的综合优势将遥遥领先。

 

 

边缘精度与多功能激光系统的平衡
Rodriguez特别强调，激光切割的优势始终与具体应用需求紧密相关——特别是零件轮廓的切割质量要求，以及内部孔洞和切口的复杂度与尺寸。若无法满足应用所需的边缘质量，再高的切割效率也将失去意义。

 

从技术特性来看，激光切割在定位精度（切口位置精确性）方面表现卓越，而等离子切割的化学反应则能产生更光滑的切边。许多高功率激光的早期采用者选择转型，正是为了彻底取消二次机加工（这是使等离子切割边缘达到公差要求的唯一方法）。对这些用户而言，切割精度至关重要，但未必需要等离子切割所擅长的那种光滑切边。

 

激光切割在公差精度方面能实现极高的边缘准确度，但其切面光洁度仍不及等离子割炬的加工效果
 

“激光切割边缘仍会留下纹路痕迹，”Rodriguez指出，“虽然从公差控制来看，激光远优于等离子切割，但如果表面光洁度更为关键，等离子可能仍是更优选择。”

 

若等离子切割的边缘质量能满足大部分（非全部）要求，多功能加工系统将成为理想解决方案——这种工作台不仅具备热切割功能，还可进行钻孔和攻丝。现代高精度等离子系统能加工出锥度极小、光洁度极高的微孔，实现2:1甚至1:1的孔径-板厚比。

 

但Rodriguez解释称，即便最精密的等离子切割孔仍存在切入切出痕迹及微量锥度，这时集成钻孔攻丝功能就显现出价值。另一个典型应用是超出等离子切割极限的超厚板材加工，操作人员可先在2英寸厚板上钻引导孔，再从边缘起始切割。

 

许多板材加工商转向激光切割，部分原因在于其优异的制孔能力。激光束极高的能量密度可快速穿透材料，产生的热影响区更小，并能实现直径与板厚比低至0.5:1的微孔加工。但需注意，激光切割本质上仍是热加工工艺，既无法加工超微细孔，又不能进行螺纹攻丝。

 

Tecoi公司车间现场
 

“为此，多功能激光切割机应运而生——在激光头同一龙门架上集成钻攻单元。这主要针对微小孔加工。”Rodriguez解释道，激光的极高精度通常使7/8英寸以上的钻孔需求不复存在。与等离子/氧燃料多功能设备类似，这些激光系统配备特殊格栅，其软质（激光系统采用铝制）定位销可有效防止工具损坏。

 

在此类配置中，设备通常先完成全板面的钻孔攻丝，再由激光头加工剩余轮廓和内部形状。得益于激光较低的热输入（相比等离子特别是氧燃料），切割头可采用最短路径完成全板加工。而其他热切割技术往往需要编程人员将加工路径分区交替进行，通过“热量分散”来实现最小化变形。

 

 

功率提升与多切割头协同创新
更高激光功率看似理想，但单纯增加千瓦级功率输出所带来的边际效益却递减——尤其加工厚板时，以“英寸/分钟”为衡量标准尤为明显。这意味着24kW功率的切割速度并非12kW的两倍。将24kW功率分配给两个切割头，各输出12kW光束，这才是提升产能的有效途径。

 

Tecoi公司的双头系统采用某国外知名激光企业的激光器，单一激光源同时驱动两个切割头。在此配置下，加工接近设备极限厚度的板材时，可集中全功率输出至单个切割头；处理较薄板材时，则分配功率实现双12kW切割头同步作业。

 

 

板材切割自动化革新
假设某制造商已配备集成钻攻功能的双头激光系统，这套看似为极致产能打造的配置，却可能因等待材料而闲置——这正是当前痛点。

 

在常规布局中，大型切割机的工作台往往长达数百英尺。激光切割头所在的防护罩与龙门架沿台面纵向移动。完成切割后，龙门架移至台面另一块板材，而工人需用起重机吊运成品与废料框架。

 

该塔式系统由多个独立切割工作台构成，每个工作台配备专用格栅，可承载重达数千磅的大型板材

 

这种布局虽能维持设备运转，但对于追求极简人工的超高产能需求则不行，专为板材切割设计的塔式系统提供了解决方案。该系统是多层独立切割台的垂直堆叠，每个工作台可将重达数千磅的厚板输送至激光切割区。

 

Rodriguez补充道，板材切割自动化技术高度可定制化，包括自动分板系统。升降机将多层板材定位至大型穿梭式切割台，当加工程序完成后，机器人自动取件并放置到旋转式分拣料箱。相邻工作台则存放机器人无法处理的超厚板材原料及废料框架，供人工装卸。

 

 

系统集成与自动化适配策略
此类自动化方案的适用性，自然取决于制造商的零件组合特征及生产批量。要实现全自动板材切割系统的峰值产能，需综合考量多重因素。Rodriguez以切割台下方的振动输送系统为例说明——这套装置能自动清除熔渣。重型切割作业会产生大量熔渣，因此板材切割系统必须配备高效的废料清除方案。

 

厚板切割会产生大量熔渣，格栅下方的自动振动输送系统可有效清除这些废料

 

尽管这类大型自动化系统代表了板材切割自动化的尖端水平，但Rodriguez强调，工艺选择仍需回归基础考量：边缘质量要求、厚度范围和加工批量。等离子切割能获得激光难以企及的光滑切边，但在切割精度上始终逊色于激光。

 

虽然激光在多数情况下快于等离子切割，但当产品以1.5-2英寸（38.1-50.8mm）厚板为主时，等离子或氧燃料切割（或两者兼用）可能更为适合。诚然，超高功率激光也能切割1.5英寸（38.1mm）甚至更厚材料，但这并非其最佳生产区间。

 

目前来看，制造商能否用一台多功能多头激光切割机完全取代所有等离子设备，尚不现实。但这台设备能消除大量后续二次加工，为厚板加工车间带来显著的竞争优势。