数控激光等离子切割一体机的研发与应用

白玮 温劲苇

1. 概述

在钣金加工与制作领域，激光切割与等离子切割技术的应用非常广泛。近几年，随着激光和等离子切割电源技术的快速发展及数控技术水平的不断提升，光纤激光和精细等离子高质量切割加工设备的应用取得快速发展。当前板材的厚度、切割质量和切割设备的价格细分了钣金加工制作的市场应用群体，特别是广大中小企业用户迫切需要金属板材切割范围宽、性价比高、多功能实用的数控激光等离子切割一体机设备。

2. 光纤激光切割应用特点

（1）激光切割 激光束通过聚焦镜聚集激光能量作用到加工材料表面上，加工材料在激光焦点处产生局部高温（达10 000 ℃以上），使加工材料的被加工点瞬时熔化或者汽化从而形成割缝， 同时用一定压力的辅助气体将割缝处的残余熔渣吹除， 配合激光头的运行轨迹最终达到切割加工的目的。

对光纤激光而言，所需能源大大减少——约为CO2激光器的三分之一。由于产生的热量越少，冷却器的体积就可以相应缩小。总之，在达到相同性能的情况下，光纤激光器的整体能耗要比CO2激光器低70%。

（2）光纤激光切割优缺点 目前光纤激光切割机的应用已遍布到各个金属加工行业，特别适合6mm以下金属材料的非接触切割、镂空和打孔加工。

其特点如下：

光纤激光切割机比较其他激光切割机的优点：首先是性价比较好的金属激光切割机。它通过高质量、高密度的光纤传输，实现对工件的切割效果，它的光束直径小，切割的缝隙小，光斑质量好，可用于精细切割加工；其次光纤加工的特点是加工柔性化程度高，无需对外光路反射镜及激光气体充气等日常维护，这点是CO2激光切割机所没有的优势；同时它的光电转化率高达25%以上（CO2激光切割机的光电转化率为8%～10%），耗电少，可以减少企业的加工成本；在5mm以下的薄板金属切割中优势显著。

光纤激光切割机的缺点：由于光纤激光器所发射波长及吸收率等特点，不能切割非金属材料，在遇到切割金属厚板材料时吸收率会下降，限制光纤激光切割机所切割金属板材的厚度；激光切割相对等离子切割成本高，初期投入和后期维护需要较高的费用；目前，光纤激光在切割金属薄板性价比较高，但在切割中厚板时效率低，效果不理想。不适宜用光纤激光切割。因此，厚度5mm以上的金属板材不是光纤激光切割的优势。另外，光纤激光切割机应用的高端核心技术的光纤激光器价格高，特别是千瓦级以上的大功率光纤激光器售价昂贵，增加了设备投入和后续维护的成本。同时，由于光纤激光切割机的波长较短，在使用的过程中会对操作人员的眼睛有些伤害；不过做好防护措施，戴上专用防护眼镜就没多大问题了。

3. 等离子切割应用特点

（1）等离子切割 等离子切割机是一种应用广泛的热切割设备，其工作原理是通过空气压缩气体利用高温在喷嘴处喷射出来的高速气流离子化，从而形成导电体。当电流通过时，该导点气体即形成高温等离子电弧，电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化（和蒸发），并借助高速等离子气流的动力排除熔融金属以形成切口的一种加工方法。利用环形气流技术形成的细长并稳定的等离子电弧，保证了能够平稳且经济地切割任何导电的金属材料。

（2）精细等离子切割优缺点 精细等离子割枪工艺技术与等离子弧电流密度匹配输出，通常是普通等离子弧电流密度的数倍，由于引进了诸如旋转磁场等技术，故在其电弧稳定性得以提高的同时，精细等离子切割配合不同的工作气体可以进行高质量的金属切割，尤其是对于有色金属（不锈钢、铝、铜、钛、镍）切割效果更佳；其主要优点适于切割厚度3～30mm的金属，特别是在切割普通3mm碳素钢薄板时，速度可达10m/min、切割面光洁、热变形小、几乎没有热影响区。目前随着大功率精细等离子切割技术的成熟，已使切割质量接近激光切割精度的下限(±0.2mm)。由于激光切割机价格昂贵，所以目前只适合于薄板切割(通常厚板打孔时间长)，而精细等离子切割机切割精度和效果接近激光切割的水平，切割表面质量近似，但切割成本远低于激光切割，约为其 1/3。因此，对常规质量切割的要求，6～30mm的中厚金属板材使用精细等离子切割机来取代价格昂贵的激光切割机是最经济的加工方式选择。

等离子切割的缺点：不适合3mm以下金属薄板切割，切缝宽，精度差；切割5mm以上金属的切割面垂直度不好，使用精细等离子切割虽可大大改善，但效果不如激光好。对切割要求精度较高（±0.2mm以下）的情况下，等离子切割较困难。普通等离子切割产生较多的割渣，为不影响后工序的质量，此割渣必须通过修磨去掉，也增加了人工成本；使用精细等离子切割会改善很多。等离子切割的原理决定了在切割过程中会产生有害的粉尘和弧光，可采用注水或水下等离子切割来避免此缺陷。数控系统易受到等离子电源的引弧干扰，对数控系统电磁兼容抗干扰的屏蔽技术要求较高。

综上所述，在切割材料厚度、精度方面，光纤激光切割在金属薄板材料的高精度效果的质量切割方面具有显著的优势；精细等离子在金属中厚板材的切割中，无论在设备投入成本还是在加工费用等方面具有显著的优势。

4. 数控激光等离子切割一体机的应用与研发

通过上述从多方面阐述了激光、等离子特别是光纤激光切割、精细等离子切割各自的优势和不足，为研制数控激光等离子切割一体机提供了很好的市场应用和技术开发的背景。

（1）数控激光等离子切割一体机 数控激光等离子切割一体机在技术开发方面二者优势互补，既体现了光纤激光切割金属薄板高精度的优势，又注重了精细等离子切割金属中厚板材的类激光加工效果。实现了通过在单台设备上可以进行金属薄、中、厚板材的多规格、多品种，以及不同质量要求的高精度、高精细的效果切割。

数控激光等离子切割一体机设备分别进行激光、等离子切割过程中，采用组合切割机头的运行方式，可共用一套机械传动系统和工作台，一套CNC电气数控系统和切割加工及套料软件等，使得设备制造成本大幅降低。

（2）数控激光等离子切割一体机研制的技术路线 在具体研发环节方面，着重解决以下一些技术问题：

第一，一体机数控系统的电磁兼容问题。根据激光、等离子激励能源和各自特点，能源激励方式采用高频、高压、大电流的驱动电源，对设备的数控系统和微机系统会产生强烈的电磁干扰。针对这一技术难题，在数控系统的研制过程中，系统设计主要思路是：采用目前国际先进的数控PLC模块为数控系统的核心并配置有关的软硬件系统。需要传输的信号必须经过数字滤波处理；硬件电路的设计必须加入电磁兼容环节并经过相应干扰环境的检验来验证具有很好的抗干扰性能；设备用交流电源输入端口安装工频电网净化处理装置来屏蔽干扰源等。这些措施有效地解决了设备电磁干扰的技术问题。

第二，一体机数控系统工艺库的建立。无论激光还是等离子切割的工艺效果主要取决于以下的加工参数，如：切割激励源激光功率或等离子电流、切割喷射头与工件相对位置、配置和辅助气体压力、切割速度、穿孔次数、弯角变化参数等。首先，这些切割的工艺参数必须通过数控系统根据切割板材的材质、厚度自动选择切割方式和相关的工艺参数配置。因此，选择的数控系统首先必须能够扩充开放的用户编程和数据库容量；其次，编程语言必须与外部控制部件通信兼容。

目前，经过多年的研发经验，在已有的激光切割和等离子切割相互独立数控切割工艺数据库的基础上，建立了激光等离子切割一体化的数控加工工艺数据库。实际应用，效果良好。

第三，一体机托料工作台的设计。对于钣金加工制作中小企业厂房空间有限，很多不具备横跨空间的吊装起重设备。针对激光主要用于金属薄板切割，等离子用于中厚金属板材切割的加工特点，一体机托料工作台的设计为导轨移动式。这种设计方式既方便人工装卸金属薄板，也可使用简易吊装起重装置完成中厚金属板材切割的上下料。相比龙门横梁导轨结构节省设备占地面积，相比交互式上下料工作台节省了设备成本，如图1所示。

第四，一体机应用效果。采用500W国产光纤激光器，120A进口精细等离子电源；切割金属板材厚度和精度（以碳钢板为例）：激光切割厚度0.3～6mm，精度≤±0.1mm；等离子切割厚度3～25mm，切割精度≤±0.5mm；切割面积为3 000mm×1 500mm；一体机切割头空程最大运行速度为12m/min；切割效果如图2、图3所示。

（3）数控激光等离子切割一体机研发的不断完善 一体机设备在研发中亟待解决的问题和使用方面的一些不足：第一，共用一套数控系统，需要进一步解决激光和等离子加工方式和工艺技术参数的共享与区分。第二，由于等离子切割过程的粉尘较大，除采用注水拖料台、加强除尘风力外，还需要对激光头相关外露的精密零部件加以防护。第三，对大批量，多规格厚度的金属板材，使用单台数控激光等离子切割一体机设备的切割加工效率受到影响。

图1

总之，数控激光等离子切割一体机设备研发的目的是在广阔的钣金加工与制作市场领域寻找出部分需求用户的群体，实现产品的市场应用。为企业和社会创造良好的经济效益和社会效益。整机设备外观如图4所示。

图2 激光切割效果

图3 等离子切割效果

图4

5. 结语

21世纪我国的数控切割行业面临各种新的挑战，国际市场竞争更加激烈。我们应瞄准世界先进水平，找准产品的市场需求定位，引领国内同行业技术水平的普遍提高，带动行业厂家转变经营理念，只有这样企业才能在激烈的市场竞争中立于不败，并谋求壮大、发展。另外，在不断开发研制新产品的同时，还要在加强技术创新、科研开发和质量管理上下功夫，使我国数控切割行业迅速达到世界先进水平，从而在振兴民族工业，提高我国的综合国力的同时，实现企业自身产业的规模化、国际化。

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