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激光切割产业发展现状及未来前景分析

供稿:中国工控网 2018/7/3 16:10:06
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激光切割一直是激光加工应用最广泛的一项技术,脉冲激光适用于金属材料,连续激光适用于非金属材料,后者是激光切割技术的重要应用领域。与计算机控制的自动设备结合,激光束具有无限的仿形切割能力,切割轨迹修改方便。激光切割无机械变形、无刀具磨损,容易实现自动化生产。

激光切割广泛应用于钣金加工、金属加工、广告制作、厨具、汽车、灯具、锯片、升降电梯、金属工艺品、纺织机械、粮食机械、眼镜制作、航空航天、医疗器械、仪器仪表等行业。特别是在钣金加工行业中已取代传统加工方式,深受行业用户的青睐。

一、激光切割工艺

激光切割利用高功率密度激光束照射被切割材料,使材料很快被加热至汽化温度,蒸发形成孔洞,随着光束对材料的移动,孔洞连续形成宽度很窄的(如0.1mm左右)切缝,完成对材料的切割。

激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。

1、激光汽化切割

利用高能量密度的激光束加热工件,使温度迅速上升,在非常短的时间内达到材料的沸点,材料开始汽化,形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大,在蒸气喷出的同时,在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大,所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。

激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料(如纸、布、木材、塑料、橡皮、泡沫等)的切割。超短脉冲激光使这项技术可以应用于其他材料。金属中的自由电子吸收激光并剧烈升温。激光脉冲不与熔融的粒子和等离子体反应,材料直接升华,没有时间将能量以热量的形式传给周围材料。皮秒脉冲烧蚀材料时没有明显的热效应,没有熔化和毛刺形成。

2、激光熔化切割

激光熔化切割时,用激光加热使金属材料熔化,然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体(Ar、He、N等),依靠气体的强大压力使液态金属排出,形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化,所需能量只有汽化切割的1/10。

激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割,如不锈钢、钛、铝及其合金等,也可以用于切割其他可熔材料,例如陶瓷。

3、激光氧气切割(火焰切割)

激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源,用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用,发生氧化反应,放出大量的氧化热;另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出,在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热,所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2,而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。

4、激光划片与控制断裂

激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描,使材料受热蒸发出一条小槽,然后施加一定的压力,脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。

控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布,在脆性材料中产生局部热应力,使材料沿小槽断开。

二、激光切割工艺及设备对比

图表1:不同激光切割工艺对比(单位:台)

资料来源:ofweek产业研究院

三、激光切割机市场发展现状分析

在现代工业生产中,激光切割更被广泛应用于钣金、塑料、玻璃、陶瓷、半导体以及纺织品、木材和纸质等材料加工,在各大重工业轻工业领域的应用也不断普及。激光切割占工业激光加工的40%以上,是激光加工行业中最重要的一项应用技术。

激光切割在工程机械行业应用方面,2010年之前,由于激光切割设备价格高昂,一台大幅面激光切割机(配备4 kW激光器)售价近600万元人民币,国内采用大幅面激光切割机的企业并不多。

2003年到2009年间,在工业加工要求不断提升到推动下,国内企业积极引进激光切割设备,如合肥日立引进5台大覆盖激光切割机、2台小覆面激光切割机,三一重工确立了在3年内引进27台套大覆面面激光切割机计划。通过2008年和2009年的引进,已有15台套的激光切割机,配备于昆山重机、沈阳三一等企业。徐工、山推等企业不甘落后相继引用了激光切割机。2009年中旬激光微加工系统制造商JPSA计划把制造车间的面积扩大一倍,提高公司制造激光微加工(激光雕刻)系统的产能,以满足生产太阳能(包括千瓦级)面板制造厂家的需求。

2011年以后,国内激光企业大力发展大功率光纤激光切割机,由于大功率光纤激光加工具有独特的加工优势,加工成本大幅下降,同时结合多种灵活的付款方式,目前越来越多的钣金加工企业、厨卫制造企业以及汽车部件加工企业越来越多的使用激光切割机。最近几年激光加工设备得以快速普及,2017年我国激光切割成套设备销售量超过2.5万台。

图表2:2013-2017年中国激光切割设备销售量

资料来源:ofweek产业研究院

2017年全球激光加工设备市场规模为313.7亿美元,同比增长12%。2017年中国激光设备市场销售总规模超过442亿元,其中激光切割设备占全国工业激光加工设备市场规模的46%。

图表3:20103-2017中国激光切割设备市场规模(单位:亿元)

资料来源:ofweek产业研究院

2017年中国激光切割设备市场规模为203亿元,增长率为23%,其中中小功率激光切割设备市场销售规模一直保持较高的增长速度,其核心激光器实现了较高的国产化率。大功率激光切割机相比于中低功率激光切割机发展较晚,对国外进口依赖较大,进口高功率激光器价格居高不下,设备价格依然非常高,市场增幅相对较低。

近几年,国产激光切割机技术有了突破性的发展,并朝着高功率、高精度、大幅面的方向挺进。在中国智能制造大背景下,工业领域都呈现从传统加工向高端制造转型的态势,中国激光切割领域市场规模将一直保持着高速发展的趋势。

审核编辑(袁键灏)
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