徐侠1，钟正根2，唐爱敏1，张耀清1
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引言
近年来，在重型机械、船舶制造、大型钢结构等领域，大量零件需要进行厚板切割，零件规格多、形状多样，有些对精度要求较高。采用传统的火焰切割、等离子切割等加工方式，存在加工效率低、精度差、材料浪费严重等问题，无法满足当前制造要求。超高功率万瓦级光纤激光切割的出现，为解决当前厚板切割过程中存在的问题提供了一种最有效的解决方案。
金属材料越厚，所需要的激光切割功率就越高；在切割薄板时，激光功率越高，切割速度也越快，从而获得更高的加工效率。国内光纤激光器制造商不断推出20 kW、40 kW、60 kW等超高功率激光器，为厚板切割提供了更多利器。本文将从现实困惑、技术原理、应用效果、未来前景及挑战等方面，对高功率光纤激光器在厚板切割中的应用进行探讨。
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技术优势
高功率光纤激光器在厚板切割中的应用效果非常显著。相比中小功率的激光切割，高功率激光在切割速度、切割能力、加工成本等方面都具有显著优势，这也就是近两年高功率激光切割能获得市场认可的所在，具体体现在以下四个方面：
（1）切割速度更快：高功率光纤激光器在进行厚板切割时也能保持较快的切割速度，如采用60 kW光纤激光切割20 mm厚不锈钢，空气为辅助气体，切割速度可达12 m/min，并且能获得较好的切割断面。而用6 kW切割同样厚度的钢板，速度只有0.6 m/min。相比之下，用60 kW，相较于6 kW，切割效率提升了20倍；在进行厚板穿孔时，可实现快速穿孔，如5秒就可穿透100 mm厚不锈钢，大大缩短了穿孔时间（图 1所示）。
（2）切割能力更强：高功率光纤激光器可大幅提升厚板切割能力，可切割300 mm以上不锈钢金属材料，这在以前只有几千瓦激光功率时是无法企及的。切割能力的提升不仅表现在板材厚度上，还表现在切割材料种类中，一些相对以前比较难切的材料，现在也都能进行切割（图 2）。
（3）使用成本更低：高功率光纤激光能够在不同辅助气体工艺下实现厚板切割，如采用空气高质量切割厚不锈钢、采用低压氧气负焦高速切割厚碳钢，可大大降低气体使用成本，获得更高加工性价比。
（4）应用范围更广：高功率光纤激光器随着激光功率的不断上升，激光切割厚板能力也不断提升，同时也能对一些高反射率材料（如铝、铜等）进行切割。激光切割应用领域将随之扩大，特别是一些厚板切割方面，将取代等离子切割，在造船、重工等制造领域将会越来越多采用激光切割技术（图 3）。
图3 高功率激光切割设备在技术的不断迭代下，更多领域的板材材料切割也得到了相应的拓展
03
技术应用场景示例
万瓦级光纤激光切割技术在现代制造业中有着广泛的应用场景，分别在以下几个方面：
（1）金属加工：万瓦级光纤激光切割技术可以用于加工各种金属材料，如不锈钢、铝合金、铜、钛合金等。它可以应用于制造汽车零件、电子设备、船舶机械、航空航天零件等各种高精度金属制品。
（2）电子制造：万瓦级光纤激光切割技术可以用于制造电子器件，如电路板、LED 等。它可以实现高精度加工，使得电子器件的尺寸更加精确，性能更加稳定。
（3）塑料加工：万瓦级光纤激光切割技术也可用于加工各种塑料材料。以其高速度、低损伤、高精度等优点，大幅提高塑料制品的生产效率和质量。
（4）精密器械制造：万瓦级光纤激光切割技术可以用于制造各种精密器械，如手术刀具、眼镜等。它可以实现高精度、无损伤加工，使得器械的制作更加精细、精确。
图4为浙江力聚热水机有限公司所需技术问题解决方案的样件。本金属板材厚为20 mm，材料直径200 mm。材料不仅孔位多，且左下、右上、下中区域的大孔和材料外轮廓均带有单面坡口。在确保各个切面平整的情况下没有毛刺，如果按照传统加工方式，做这样一个锅炉密封件，所用到的设备有冲床、磨床、钻床三台设备，需三个工人耗时三天左右时间完成此密封件。自购买使用奔腾激光高功率激光坡口切割机（12 kW）后，只需一个工人一台设备耗时2.5 h就能完成。给企业节约了成本，提高了效益。
图4 浙江力聚热水机有限公司所需技术问题解决方案的样件
总的来说，万瓦级光纤激光切割技术的应用场景非常广泛，可以应用于各种制造业领域，带来更高效、更精确的生产方式。
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国内发展现状及未来前景
国内在高功率光纤激光器方面发展非常快，现在20 kW以内的激光器已经比较成熟，在切割市场中已经获得了广泛应用。激光器及整套激光切割设备价格也在快速下降，从而进一步推动了普及的速度。锐科激光、创鑫激光等国内龙头光纤激光器制造企业相继推出40 kW、60 kW等高功率光纤激光器。今年，奔腾激光联合创鑫激光推出了全球首台60 kW光纤激光切割设备，进一步提升了激光切割能力和切割效率，将引领全球高功率激光切割技术的发展。
随着国内高功率光纤激光技术的不断发展，高功率、高速度、高稳定性、长寿命、高性价比的高功率光纤激光切割设备将会获得越来越广阔的市场。市场不断拓展带动需求量的不断攀升，形成一定规模必然会降低制造成本，从而构成一个良性循环。因此在未来几年中，高功率光纤激光器将会是厚板切割领域中的一把利器，将会深入到各个领域中，成为厚板切割的主要工具。
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技术挑战
高功率光纤激光器在厚板切割领域中将面临应用场景多样化、加工需求多样化，用户有着更多定制化需求，要满足这些需求也会面临一些挑战。其中，最主要的挑战包括以下几个方面：
（1）成本：目前，高功率光纤激光器的制造成本较高，整机切割设备较贵。这对于中小企业来说是一个较大的负担，需求会出现暂时被压制，从而会减慢其推广应用的速度。
（2）技术：高功率光纤激光切割技术难度较大，需要在激光器的设计制造、加工工艺和配套部件等方面投入大量的人力、物力和财力，不断提升其稳定性、可靠性、加工效率和加工效果等。
（3）环保高功率光纤激光在厚板切割中产生的废气、废渣、光辐射等对环境及身体具有一定的危害，需要制定合理的废弃物处理方案，保护环境及人身健康。
（4）维护高功率光纤激光在切割过程中功率密度非常高，易受到粉尘、油污等物质的影响，降低切割质量，增加设备维护成本。
总之，面对这些挑战，我们需要不断提高技术水平，解决这些问题，进一步推动高功率光纤激光器在厚板切割领域的应用和发展。
综上所述，随着人们对加工质量的要求不断提高，高功率光纤激光器在工业领域的应用必将越来越广泛。同时，科技不断发展，激光器的技术也将不断更新，如今的高功率光纤激光器只是一个起点，未来还将有更加高效、精准的激光器出现。这也将为厚板切割等领域带来更多的机会和挑战，需要科技人员不断努力创新，使激光技术得到更加广泛和深入的应用。
作者简介
徐侠， 奔腾激光（浙江）股份有限公司CEO，从事激光技术应用行业15年 ;
钟正根，浙江工贸职业技术学院智能光电制造技术专业主任，主要从事激光技术研究及教学 ;
唐爱敏，奔腾激光（浙江）股份有限公司办公室主任 ;
张耀清，奔腾激光（浙江）股份有限公司CEO助理，主要从事激光切割设备的生产制造。
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