激光切割產業發展現狀及未來前景分析

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  激光切割一直是激光加工應用最廣泛的一項技術,脈沖激光適用于金屬材料,連續激光適用于非金屬材料,后者是激光切割技術的重要應用領域。與計算機控制的自動設備結合,激光束具有無限的仿形切割能力,切割軌跡修改方便。激光切割無機械變形、無刀具磨損,容易實現自動化生產。

  激光切割廣泛應用于鈑金加工、金屬加工、廣告制作、廚具、汽車、燈具、鋸片、升降電梯、金屬工藝品、紡織機械、糧食機械、眼鏡制作、航空航天、醫療器械、儀器儀表等行業。特別是在鈑金加工行業中已取代傳統加工方式,深受行業用戶的青睞。

  一、激光切割工藝

  激光切割利用高功率密度激光束照射被切割材料,使材料很快被加熱至汽化溫度,蒸發形成孔洞,隨著光束對材料的移動,孔洞連續形成寬度很窄的(如0.1mm左右)切縫,完成對材料的切割。

  激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類。

  1、激光汽化切割

  利用高能量密度的激光束加熱工件,使溫度迅速上升,在非常短的時間內達到材料的沸點,材料開始汽化,形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大,在蒸氣噴出的同時,在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大,所以激光汽化切割時需要很大的功率和功率密度。

  激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料(如紙、布、木材、塑料、橡皮、泡沫等)的切割。超短脈沖激光使這項技術可以應用于其他材料。金屬中的自由電子吸收激光并劇烈升溫。激光脈沖不與熔融的粒子和等離子體反應,材料直接升華,沒有時間將能量以熱量的形式傳給周圍材料。皮秒脈沖燒蝕材料時沒有明顯的熱效應,沒有熔化和毛刺形成。

  2、激光熔化切割

  激光熔化切割時,用激光加熱使金屬材料熔化,然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體(Ar、He、N等),依靠氣體的強大壓力使液態金屬排出,形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化,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屬的切割,如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等,也可以用于切割其他可熔材料,例如陶瓷。

  3、激光氧氣切割(火焰切割)

  激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預熱熱源,用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用,發生氧化反應,放出大量的氧化熱;另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區吹出,在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應產生了大量的熱,所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2,而切割速度遠遠大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

  4、激光劃片與控制斷裂

  激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進行掃描,使材料受熱蒸發出一條小槽,然后施加一定的壓力,脆性材料就會沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關激光器和CO2激光器。

  控制斷裂是利用激光刻槽時所產生的陡峭的溫度分布,在脆性材料中產生局部熱應力,使材料沿小槽斷開。

  二、激光切割工藝及設備對比

  圖表1:不同激光切割工藝對比(單位:臺)

  三、激光切割機市場發展現狀分析

  在現代工業生產中,激光切割更被廣泛應用于鈑金、塑料、玻璃、陶瓷、半導體以及紡織品、木材和紙質等材料加工,在各大重工業輕工業領域的應用也不斷普及。激光切割占工業激光加工的40%以上,是激光加工行業中最重要的一項應用技術。

  激光切割在工程機械行業應用方面,2010年之前,由于激光切割設備價格高昂,一臺大幅面激光切割機(配備4 kW激光器)售價近600萬元人民幣,國內采用大幅面激光切割機的企業并不多。

  2003年到2009年間,在工業加工要求不斷提升到推動下,國內企業積極引進激光切割設備,如合肥日立引進5臺大覆蓋激光切割機、2臺小覆面激光切割機,三一重工確立了在3年內引進27臺套大覆面面激光切割機計劃。通過2008年和2009年的引進,已有15臺套的激光切割機,配備于昆山重機、沈陽三一等企業。徐工、山推等企業不甘落后相繼引用了激光切割機。2009年中旬激光微加工系統制造商JPSA計劃把制造車間的面積擴大一倍,提高公司制造激光微加工(激光雕刻)系統的產能,以滿足生產太陽能(包括千瓦級)面板制造廠家的需求。

  2011年以后,國內激光企業大力發展大功率光纖激光切割機,由于大功率光纖激光加工具有獨特的加工優勢,加工成本大幅下降,同時結合多種靈活的付款方式,目前越來越多的鈑金加工企業、廚衛制造企業以及汽車部件加工企業越來越多的使用激光切割機。最近幾年激光加工設備得以快速普及,2017年我國激光切割成套設備銷售量超過2.5萬臺。

  圖表2:2013——2017年中國激光切割設備銷售量

  2017年全球激光加工設備市場規模為313.7億美元,同比增長12%。2017年中國激光設備市場銷售總規模超過442億元,其中激光切割設備占全國工業激光加工設備市場規模的46%。

  圖表3:20103——2017中國激光切割設備市場規模(單位:億元)

  2017年中國激光切割設備市場規模為203億元,增長率為23%,其中中小功率激光切割設備市場銷售規模一直保持較高的增長速度,其核心激光器實現了較高的國產化率。大功率激光切割機相比于中低功率激光切割機發展較晚,對國外進口依賴較大,進口高功率激光器價格居高不下,設備價格依然非常高,市場增幅相對較低。

  近幾年,國產激光切割機技術有了突破性的發展,并朝著高功率、高精度、大幅面的方向挺進。在中國智能制造大背景下,工業領域都呈現從傳統加工向高端制造轉型的態勢,中國激光切割領域市場規模將一直保持著高速發展的趨勢。

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