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CO2气体激光加工机的普及和技术变迁

2007-04-02   www.mw1950.com作者:井上孝 村井融 金冈优

    一、绪   言
   
   CO2气体激光加工机作为可按任意轨迹切断的工作机械,现已被广泛应用在很多行业的单品制作或大量生产方面。切断用CO2气体激光加工机进入市场已经有20年以上的历史,由于技术的飞跃进步和市场的扩大,现已成为从钣金加工行业开始到制造现场都不可缺少的工作机械。
   
   近年来除CO2激光以外,以固体激光为代表的各种新型激光加工机陆续进入中国市场,在高附加值领域的应用和新加工法的摸索都在活跃地进行。但是,CO2气体激光加工机已经广泛渗透到市场的各个领域,作为一般的工作机械有很高的评价,对广泛应用型加工系统的CO2气体激光加工机有很大的期待。
   
   为此,本文将从激光加工机的普及期到现在的市场推移、技术进步,以及最新的CO2气体激光加工机等几方面进行分述。
   
   二、市场动向的推移
 
  
   1.激光加工机市场
   
   1980年初是CO2气体激光加工机的黎明期,其应用仅限于非金属加工或薄板钣金加工,就市场规模来说,日本国内市场以500W级发振器系统为中心,每年有200台左右的需求。1990年初千瓦级的发振器作为普及机种登场后,伴随32位CNC控制装置的处理能力的提高,实现了生产效率的大幅度提高。因此,以试加工钣金行业为中心,以多品种少量加工或复杂形状加工为目的开始引进,激光加工机的市场开始急速扩大。随着市场上激光加工机的用途和应用行业的不断扩大,使其迅速发展到每年近1000台左右的规模。现在激光加工可以适合加工各种各样的材料,引进CO2气体激光加工机的行业也在不断扩展。图1是CO2气体激光加工机市场1999年的实际值和2006年的预测值。


图1  CO2气体激光加工机的市场比率


  
  CO2气体激光加工机首先在欧州、北美、日本开始普及,近年来中国、中国台湾、韩国等也开始不断的引进。其市场比率1999年是14%、2002年达到17%、2006年预计要增长到21%。激光加工系统的通用地位在全世界不断扩展。
   
   2. 激光加工机的价格
   
   图2是发振器输出功率为1kW级的钣金切断用加工机的价格推移。1990年以后,以激光加工机的迅速普及和发振器的高输出功率化为背景1kW级的价格持续下降。随着选择配置和加工机尺寸,2005年1kW级加工机的价格下降到1990年的40%左右。如此的价格推移显示出在15年内,CO2气体激光加工机由特殊加工机械转化为一般工作机械,并被市场接受,而且现在由于实现了低成本加工,所以进一步使其成为具有成本竞争力的工作机械,被客户广泛认可。


图2  单位输出功率的加工机价格推移


  
  三、技术变迁
  
  1.发振器的性能推移
  
  图3所示为发振器输出功率对碳钢及不锈钢的加工能力。过去的18年内,随着发振器不断的高输出功率化,最大加工板厚也在增大。1987年当时最大加工板厚是碳钢9mm、不锈钢3mm,现在分别实现了25mm、14mm的加工。


图3  碳钢及不锈钢的最大加工板厚


  
  另外,随着加工技术的进步,也有同一输出功率的加工能力得到大幅度提高的例子,如输出功率为2kW的发振器在1995年时能够加工的不锈钢板厚是4mm,现在板厚8mm以下的都可以加工。
  
  图4所示为额定输出功率4kW的高输出功率发振器的光模分布状态。额定输出功率1kW级的激光加工机主要加工对象是薄板,采用集光性出色的单一模。但是,用一台发振器对碳钢、不锈钢和铝等加上各种材质,从薄板到厚板的各种板厚广范围用途的要求日益增高,所以现在高输出功率领域一般采用能够抑制光学系的热负荷的TEM01*模。


图4  高输出功率激光发振器的模分布(计算值)


  
  光束品质的最适化对于提高加工性能是极为重要的要素,不仅仅是最适的光模次数的适用,光束的轮廓对加工的影响也不能忽视。如碳钢厚板的切断、集光束轮廓的“裙边”的陡峭程度对加工品质有很大的影响。因此光束的“裙边”和上面叙述的光模次数是对加工性能有很大影响的因素,这些因素的最适化,可使CO2气体激光加工机的加工性能得到大幅度的提高。
   
   2.加工机·控制装置的性能推移
   
   驱动系的高速化、加工机的高刚性化,以及控制装置的高速化等使加工机有了显著的进步。下面以加工机能力提高为例,介绍真圆度的改善。
   
   图5所示为过去控制和最新控制方式的真圆度精度比较。图中表示的是以加工速度8m/min加工φ10mm孔时的形状,最新控制使孔形状精度从60μm大幅度提高到25μm。图6所示为加工φ10mm孔时的加工速度和真圆度的关系。在1989年,为了保证真圆度在25μm以下,必须把加工速度降低到0.5m/min以下。到了2003年,即使是用8m/min的速度加工,也能保证25μm以下的精度。
   
   加工机的进步使同一精度下加工速度提高了10倍,实现了生产率的大幅度提高。


图5  加工φ10mm孔时的形状精度比


图6  加工速度和真圆度的关系


  
  四、加工技术的推移
  
  1.确立各种切断手法
  
  (1)不锈钢的无氧化切断  CO2气体激光加工机开始普及时,不锈钢的切断一般使用氧气的加工法。但是,用氧气切断的断面形成了氧化膜,厚板切断时很难抑制背面的毛刺附着,对于有喷涂、熔接工序的情况需要二次加工。但是,自从确立了用氮气作为辅助气体的无氧化切断法后,实现了没有氧化膜的高品质加工,过去必须的二次加工也就不需要了。
  
  不锈钢的无氧化切断是用高能量密度的激光束使母材熔融,再用辅助气体的运动能量除去熔融金属保持加工的持续。因此,切断中促进熔融金属的除去,持续形成切断口就极为重要。面向实用化所必要的技术是和高输出功率发振器、高压辅助气体对应的加工机,形成最适当的切断口的光学系等,实现了这些技术突破,从而使无氧化切断的加工技术有了飞跃性的提高。
  
  现在使用的4kW高输出功率发振器,有最适当焦点距离的加工透镜和加工头,耐3.0MPa的高压辅助气体对应的加工机(如图7所示),实现了板厚14mm的不锈钢高品质加工。


图7  不锈钢无氧化切断例


  
  (2)碳钢的厚板切断  对于碳钢切断来讲,影响加工品质的因素有激光束的集光光学系、材料的含有成分和其表面状态,以及气体的纯度等。以下叙述对碳钢的厚板切断有重要影响的气体纯度。
  
  碳钢厚板的激光切断时,抑制从喷嘴射出的辅助气体氧气,对实现高品质切断有重要的作用。在喷嘴先端和激光同轴状供给的氧气,产生氧化反应热,抑制过剩燃烧,确保为除去熔融金属的运动能量、材料的冷却、保护加工透镜的作用。但是,从喷嘴喷出后,通过约0.5mm的激光切断口的气体流,容易出现乱流状态,卷入周围的空气引起加工能力的下降。因此,根据氧气纯度和加工品质的研究结果(如图8所示),辅助气体纯度对厚板切割断面的影响一目了然,开发厚板切断用喷嘴时借鉴了这一成果。图9所示为从板厚4.5~19mm的碳钢切断例。用厚板切断喷嘴进行切断,在加工部用氧气遮蔽,对提高切断品质和扩大加工条件的范围发挥了重要作用。
  
  (3)低运转成本加工  当激光加工机还是高价的特殊加工机时,由于激光对复杂形状的加工和对母材的热影响小,使其加工产生了高附加值。因此,随着激光加工机的普及和激光加工的一般化,客户希望更高的附加值及更加低廉成本的加工。以不锈钢的无氧化切断为代表的高附加值加,以及以下叙述的采用小口径单孔喷嘴的碳钢低运转成本加工等,就是应以上的要求而开发出来的。


图8  氧气纯度和加工品质的关系


图9  碳钢切断例


  
  在激光加工的运转成本中,产生激光束的电力和辅助气体的费用占了大多半。因此,实现低运转成本加工时,加工速度的提高和辅助气体流量的削减就极为重要。
  
  一般情况下,碳钢的氧气切断以加工速度2m/min前后为阀值,切断现象发生变化。当切断速度在2m/min以下时,用于母材熔融的热量多依赖于铁燃烧反应产生热,所以需要供给充分的氧气。当切断速度2m/min以上时,激光输出功率对母材的熔融作用较大,因此氧气的流量可以降低。
  
  图10所示为加工板厚9mm的碳钢时,单位切断长度的运转成本。4kW高输出功率发振器的适用和喷嘴形状的适正化、集光束径的适正化,实现了切断速度在2m/min以上时气体流量的降低,从而大幅度地降低了运转成本。通过气体流量的降低,辅助气体费用从1996年的10.83日元降低到现在的0.74日元,总体成本下降了48%。


图10  单位长度的运转成本


  
  2.各种控制和加工品质
  
  CO2气体激光加工是属于热加工范畴,因此对被加工材质的热输入控制就极为重要。伴随激光发振器的高输出功率化,薄板的切断速度也有大幅度的提高,对于板厚1mm的不锈钢,超过10m/min的加工速度也变得很一般。进行这样的高速加工时, 控制住从通过转角处产生的加减速的输出功率就极为必要。过去没有此类的输出功率控制(如图11所示),加减速时使转角部的热输入出现过剩,诱发了毛刺附着等,降低了加工品质。


无输出功率控制                      有输出功率控制
图11  对输出功率的控制提高品质的例子


图12  与实际加工速度同步的激光输出功率控制


  
  由于近年的发振器技术、控制技术的进步,实现了与加工机的实际加工速度同步的激光输出功率即时控制,使减轻转角部的毛刺附着成为可能。图12是转角加工时,对应加减速控制激光输出功率的实际加工速度和输出功率的波形。横轴是时间,纵轴是加工速度、激光输出功率。对于实际加工速度的变化,高速进行了输出功率的控制。
  
  最近,一种叫做适用光学(adaptive optics)的可变光学系搭载到激光加工机上,使最大加工板厚和加工速度得到进一步提高。使用该光学系可以改变入射到透镜的光束径,如薄板加工时用集光性出色的光束,厚板加工时使用焦点深度大的光束,针对不同的材料可以任意选择最适当的光束。
  
  光束最适化技术的确立,实现了各种材质的最大加工板厚的增加和加工速度的提高。另外,光束最适化扩大了加工条件的范围,使高可靠性加工成为可能。
  
  使用光传感器,具备加工自动监测机能的加工机也开始普及。该机通过检测熔融金属和等离子的发生光,检测打孔的贯通、加工不良,对缩短加工时间,防止不良品的发生做出贡献。
  
  五、其他加工方法的比较
  
  在金属加工领域与激光加工机竞争的工作机械,在厚板方面有等离子切断机和燃气切断机,薄板方面有冲床等。附表所示为工作机械对各种材料、特别是碳钢的加工能力的比较。


  
  发振器的高输出功率化和光学部品的耐光度提高,激光加工机对于碳钢厚板的加工可靠性也在增高,过去等离子切断和燃气切断适用的厚板领域也扩大到激光的适用范围内。另外,尺寸精度的提高和表面粗糙度的提高,也使其适用范围扩大到机械加工领域。
  
  薄板领域是冲床等使用标准模具的冲压加工比较普遍。一方面,冲压加工和激光加工相比较,特别是在单一形状的反复加工方面,生产率非常高;另一方面,复杂形状的加工和包含很多特殊形状的加工,考虑到模具更换时间和模具制作所需要的费用时,激光加工的优势就很明显。因此根据批量和加工形状,激光和冲床的适用领域处于并存状态。但是,近年来激光加工机的高速化,使本来冲床处于优势的大量生产领域被激光加工不断占领。这样的大量生产领域多引进以高运转率为目的,配备上料/下料装置的多层货架系统。对于此需要,除最大加工速度、最大加工板厚等加工能力以外,还意味着激光加工机也得到了能够对应加工的安定性、信赖性和保养维护性等要求的评价。
  
  六、结语
  
  通过20年的技术进步,发振器的高输出功率化、光束品质的最适化,使加工速度和加工精度得到了提高,CO2气体激光加工机的生产能力也有了飞跃性的发展。同时向市场的普及也不断深化,从特殊加工机到一般的工作机械被认可。
  
  今后,作为加工系统期待出现完成度更高的CO2气体激光加工机,重视信赖性的高速度运转,重视生产率的高速加工机等,对于CO2气体激光加工机寄予的期待非常大。

关键词:三菱,激光,切割机,加工机, | 作者 :

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